Исследование физико-технических характеристик неоднородных сред поляризационно-оптическими методами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Секарин, Константин Геннадьевич

• Секарин, Константин Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Секарин, Константин Геннадьевич

Введение

ГЛАВА I. ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ОПТИЧЕСКИЙ

КОНТРОЛЬ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ПОКАЗАТЕЛЕМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ.

1.1 Методы формирования неоднородных сред для градиентной, оптики на основе кварцоидов и ионообменной диффузии

1.2 Интерференционные методы измерения локальных значений показателя преломления и радиального распределения угловой пространственной частоты передачи изображения ' . 18 Выводы

ГЛАВА И. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ

АТТЕСТАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОТЕХНИКИ

2.1 Методы компенсационной (нулевой) эллипсометрии

2.2 Методы переключения состояния поляризации светового пучка*

2.3 Методы азимутальной и фазовой модуляции поляризованного светового пучка

2.4 Методы метрологической аттестации эллипсометрических измерений физико-технических параметров элементов оптотехники

2.5 Методы определения поляризационно-оптических параметров неоднородной отражающей системы

Выводы

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТЙЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ.

3.1 Методы определения оптических характеристик неоднородных поверхностных слоев

3.2 Определение оптических постоянных неоднородных сред при наличии неоднородного поверхностного слоя

3.3 Определение физико-технических характеристик элементов градиентной оптики методом эллипсометрии

3.4 Поляриметрия неоднородных отражающих поверхностей . .94 Выводы

ГЛАВА IV. МЕТОДЫ ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОТЕХНИКИ

4.1 Эллипсометрия оптических соединений элементов оптотехники

4.2 Кинетика физико-химических механизмов формирования ультра микропористой структуры поверхностного слоя в оптических соединениях

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование физико-технических характеристик неоднородных сред поляризационно-оптическими методами»

К неоднородным средам может быть отнесен широкий класс различного рода объектов, неоднородность которых определяется неоднородностью физико-технических характеристик, проявляющих себя при взаимодействии со световым пучком. К ним можно отнести показатель преломления, различного рода геометрию поверхности или в общем случаи матрицы рассеяния объектов. Данная работа посвящена исследованию объектов с неоднородным распределением показателя преломления, таких как граданы и оптические соединения элементов оптотехники. Этот объем исследования в большей мере использует технику эллипсометрии и интерферометрии, использующих в своем приборном воплощении полностью поляризованную компоненту частично поляризованного излучения. Кроме того, в работе выполнены исследования образцов, отличающихся пространственной неоднородностью матриц рассеяния, проявляющейся в неоднородности отражений частично поляризованного излучения. при< экспериментальных исследованиях, использующих технику поляриметрии.

При решении научно-технических проблем, связанных с применением градиентных элементов и анализом метрологических возможностей технологического контроля их параметров, учитывающих влияние неоднородного поверхностного слоя, образующегося при технологической обработке детали; при определении распределения угловой пространственной частоты передачи изображения, по сечению оптического элемента (или оптического узла) и его хроматических аберраций, до сих пор является актуальной задачей исследование и усовершенствование поляризационно-оптических методов анализа физико-технических характеристик оптических элементов.

Важным моментом при создании и усовершенствовании оптико-электронных систем различного функционального назначения является оптическое соединение элементов оптотехники. Это связано с тем, что качество трансляции информации об объекте исследования, передаваемой системой, связано с напряженно-деформированным состоянием в оптических узлах, в значительной степени связанного с физико-техническими характеристиками соединяемых поверхностей.

Цель настоящей работы состояла в исследовании поляризационно-оптическими методами физико-технических характеристик неоднородных сред и оптических соединений с учетом свойств поверхностного слоя, образующегося при различных внешних воздействиях, для усовершенствования элементов оптотехники.

Для этого в работе решались следующие основные задачи:

- разработка методов эллипсометрического и поляриметрического анализа физико-технических характеристик неоднородных сред элементов оптотехники;

- разработка эллипсометрических методов технологического контроля напряженно-деформированного состояния элементов оптотехники в их оптических соединениях;

- развитие, на основе полученных экспериментальных результатов, научных представлений о кинетике и механизмах формирования неоднородной структуры поверхностных слоев элементов оптотехники при технологической обработке.

Научная новизна работы определяется тем, что

- получено уравнение эллипсометрии для анизотропных оптических систем, на основе которого разработан эллипсометрический метод анализа напряженно-деформированного состояния элементов в их оптических соединениях, учитывающего свойства неоднородных поверхностных слоев элементов, предназначенных для создания оптических соединений деталей;

- разработана методика метрологической аттестации эллипсометрической аппаратуры, учитывающей основные закономерности изменения состояния по-, ляризации отраженного светового пучка от неоднородных оптических систем;

- на основе уравнения эллипсометрии для отражающей системы «неоднородный слой - неоднородная подложка», разработаны методы эллипсометрического контроля параметров элементов градиентной оптики.

- методами поляриметрии установлен характер изменения состояния поляризации излучения, отраженного покрытиями, что повышает достоверность выделения неоднородности на общем фоне на основе поляризационного контраста. Установлена корреляция между физико-химическим составом и состоянием поляризации излучения, отраженного радиопоглощающими покрытиями.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Метод метрологической аттестации эллипсометрических измерений с использованием образцовых средств, изготовленных на основе тонкопленочных систем окислов титана и кремния на поверхности натриевосиликатного стекла, позволяет однозначно определять состояние и тип поляризации отраженного светового пучка.

2. Методы иммерсионной и многоугловой эллипсометрии, основанные на уравнении эллипсометрии в приближении теории отражения поляризованного света Друде-Борна и метод поляриметрии, основанный на измерении параметров вектора Стокса, позволяют определять оптические, характеристики, неоднородных сред. .

3. Поляризационно-оптический метод, основанный на уравнении просвет-ной и отражающей компенсационной эллипсометрии для неоднородной анизотропной оптической системы, позволяет определять параметры напряженно-деформированного состояния оптического узла бесклеевых соединений элементов оптотехники и оптические параметры поверхностного слоя в зоне контакта этих элементов.

Практическая значимость работы состоит в том, что

- разработанные методы поляризационно-оптического контроля; оптических характеристик неоднородных и анизотропных оптических систем использованы; при решении широкого круга научных и технологических задач на ряде оптических производств элементов градиентной оптики и оптотехники;

- полученные поляризационно-оптическими методами экспериментальные данные позволили установить истинные корреляционные связи между технологическими параметрами различных физико-химических процессов формирования неоднородной структуры поверхностного слоя и его оптическими характеристиками и, тем самым, осуществить поиск оптимальных технологических режимов обработки поверхности элементов оптотехники.

Результаты диссертационной работы использованы для технологического контроля кинетики физико-химических процессов формирования неоднородных структур поверхностных слоев элементов оптотехники на предприятиях ООО «Кварцевое стекло» и ОАО «НИИ «Феррит-Домен». Результаты работы, затрагивающие теоретические и методические основы эллипсометрии неоднородных, анизотропных отражающих систем, использованы также в учебном процессе в СПб ГУ ИТМО.

Личный вклад автора. Основные результаты по эллипсометрическим и поляриметрическим измерениям проведены лично автором.

Апробация работы. Результаты научно-исследовательских работ докладывались и обсуждались на XXXVI, XXXVII, XXXVIII конференциях ППС СПб ГУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2007-2009 г.), на V и VI межвузовских конференциях молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2008, 2009 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы» в 6 научных трудах, в том числе 2 научных статьях в рецензируемом журнале, рекомендованного ВАК для кандидатских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.)

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 80 наименований, приложения; содержит 128 страниц основного текста, 39 рисунка и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Секарин, Константин Геннадьевич

Выводы

1. Разработанный метод эллипсометрического контроля оптических соединений элементов оптотехники позволяет определить напряженно-деформированное состояние элементов, а обобщенный показатель качества оптического контакта, количественная оценка которого рассчитана по эффективным параметрам - показателю преломления и толщине слоя, позволяет оценить физико-техническое состояние зоны оптического контакта.

2. Методами эллипсометрии и ИК спектроскопии установлено, что при ионно-плазменной, ионно-химической и ультразвуковой химической обработке силикатного стекла в приповерхностной области образуется слой с микропористой структурой кремнекислородного каркаса стекла.

3. Методы эллипсометрического контроля физико-химического состояния поверхности элементов, выполненных из многокомпонентных силикатных стекол, позволяют определить оптимальные технологические режимы их обработки для получения изделий с минимальными потерями излучения.

Заключение

На основании проведенных в работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработана методика метрологической аттестации эллипсометриче-ских измерений, учитывающая основные закономерности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от неоднородных оптических систем; образцовые средства, полученные на основе пленок из этанольных растворов тетраэтоксилана и тетраэтоктитана, позволяют аттестовать эллипсометрические измерения с различной величиной отклонения угла поляризации (рп от угла Брюстера при различных угловых зависимостях фазового сдвига, изменение которого лежит в области 0<А(ф)<2тс, т.е. определять любой вид состояния поляризации отраженного светового пучка.

2. Разработанный метод многоугловой и иммерсионной эллипсометрии позволяет определять оптические постоянные неоднородных сред при наличии неоднородного поверхностного слоя. Показано, что наличие модифицированного слоя на поверхности градана позволяет повысить чувствительность изменения разности фаз между взаимно ортогональными компонентами отраженного светового пучка к инкременту показателя преломления по радиальному сечению градана. Это позволяет в методе отражательной эллипсометрии перейти от зависимости vP=vP[n(r)] к зависимости Д=Д[п(г)], тем самым повысить чувствительность метода и, соответственно, дать более детальный анализ аберраций угловой пространственной частоты передачи изображений.

3. Выявлена возможность использования поляриметрии для совершенствования диагностики отражающих поверхностей неоднородных сред.

4. Разработанный метод эллипсометрического контроля оптических соединений элементов- оптотехники ' позволяет определить напряженно-деформированное состояние элементов, а обобщенный показатель качества оптического контакта, количественная оценка которого рассчитана по эффективным параметрам - показателю преломления и толщине слоя, позволяет оценить состояние зоны оптического контакта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Секарин, Константин Геннадьевич, 2009 год

1. Архипова Л.Н., Ивашевский С.Н., Карапетян Г.О. и др. Градиентная оптика для медицинских эндоскопов // Оптический журнал. 1994. №12. С.51-54.

2. Горляк А.Н., Крылова Н.А., Подсекаев А.В., Туркбоев А., Храмцовский И.А. Эллипсометрия градиентных оптических элементов // Сборник трудов Международной конференции "Прикладная оптика 98". СПб 1998. С.12.

3. Ильин В.Г., Ремизов Н.В. Интерференционный метод измерения распределения показателя преломления в передающих изображение граданов // Письма в ЖТФ, 1984, Т. 10, вып.2, с. 105-110.

4. Ильин В.Г, Карапетян Г.О., Полянский М.Н. Измерение локальных значений показателя преломления неоднородных сред // ЖПС, 1978. Т.28. №1. С.160-163.

5. Серков М.М., Кондратьев Ю.Н. Градиентные среды на основе кварцоидов // Физика и химия стекла, 1984, Т.10, №3, С.380-383.

6. Стеклообразное состояние, Труды VIII Всесоюзного совещания // Под ред. Е.А. Порай-Кошица, Л.:"Наука". 1988. 170 с.

7. Васин JI. Н., Фролов Ю. А., Козлова М. Г. и др. Медицинская техника. 1990. № 2. С. 14- 15.

8. Борн М., Вольф Э. Основы оптики, М., "Наука". 1970. 650 с.

9. Azzam R.M.A. A perspective on ellipsometry // Surface Sci., 1976. v.56,p.6-17

10. Современные проблемы эллипсометрии // Под ред. А.В.Ржанова, Новосибирск .-"Наука". 1980. 192 с.

11. Эллипсометрия метод исследования поверхности // Под ред. А.В. Ржано-ва, Новосибирск, "Наука", 1983. 180 с.

12. Эллипсометрия: теория, методы, приложение // Под ред. А.В.Ржанова и Л.А.Ильина, Новосибирск, "Наука", 1987. 192 с.

13. Эллипсометрия в науке и технике// Под ред. К.К.Свиташева и А.С. Марде-жева, Новосибирск: ИФП СО АН СССР, 1987. 205 с.

14. Эллипсометрия в науке и технике// Под ред. К.К.Свиташева и А.С. Мардежева, вып.2, Новосибирск, ИФП СО АН СССР, 1990. 190 с.

15. Эллипсометрия: теория, методы, приложение // Под ред. К.К.Свиташева, Новосибирск: "Наука", 1991. 200 с.

16. Пшеницын В.И., Абаев М.И., Лызлов Н.Ю. Эллипсометрия в физико-химических исследованиях, Л.: «Химия». 1986. 152 с.

17. Основы эллипсометрии // Под ред. А.В.Ржанова, Новосибирск: "Наука", 1979.424 с.

18. Кизель В.А. Отражение света, М.:"Наука", 1973. 351 с.

19. Лейкин М.В., Молочников Б.И., Морозов В.Н., Шакарян Э.С. Отражательная рефрактометрия, Л.:"Машиностроение", 1983 . 223 с.

20. Аззам Р., Башара Н., Эллипсометрия и поляризованный свет, М.: Мир, 1981.

21. Горшков М.М. Эллипсометрия. М.: Сов.радио, 1974. 200 с.

22. Алгазин Ю.Б., Иощенко Н.Н., Леоненко А.Ф., Панькин В.Г., Рыхлитский С.В., Свиташев К.К. Лазерный фотоэлектрический эллипсометр ЛЭФ-ЗМ-1 // Приборы и техника эксперимента. 1987. №6. С.204

23. Azzam R.M.A. Two detector ellipsometer // Rev.Sci.Instrum., 1985. vol.56, №9 p.1746-1748

24. Azzam R.M.A. Binary polarization modulator // Optics Letters, 1988. vol.3, №9. p.701-703

25. Филиппов B.B., Тронин А.Ю., Константинов А.Ф. Эллипсометрия анизотропных сред // Физическая кристаллография, М. 1992. С.254-258

26. Кизель В.А., Красилов Ю.И., Щамраев В.Н. Ахроматическое приспособление «четверть волны» // Опт. и спектр. ,1964. №3. С.461-463.

27. King R.J., Downs M.J. Ellipsometry applied to films on dielectric subsrates // Surf.Sci., 1969. v .16. p.288-302

28. Федоринин В.Н. Исследование и разработка спектральных эллипсометров // Авт. реф. канд. дисс. Новосибирск: ИИГА и К, 1992. 23 с.

29. Федоринин В.Н., Соколов В.К. Критерий качества эллипсометрических схем // Опт. и спектр., 1991. Т.70. вып 5. С. 1169

30. Тейлор Б., Паркер В., Ландерберг Д. Фундаментальные константы и квантовая электродинамика-М.: Энергоиздат, 1972

31. Аникеев В.Г., Каменев П.В., Манько В.И., Рыхлитский С.Б., Сидорова Л. С. // Эллипсометры. Методика поверки. МИ 1811-87, Новосибирск: СНИИМ 1987.

32. Шестаков И.П., Шешуков А.П., Фроленко В.А., Гон B.C. Интерференционный профилограф //Препринт № 367Ф, ИФ СО АН СССР, Красноярск, 1986.

33. Шестаков И.П.,Шешуков А.П., Исследование точности измерения интерференционного профилографа // Труды VI Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". М. 1986. С.252.

34. Лызлов Н.Ю., Пшеницын В.И. Электрохимический эталон для эллипсометрии // Электрохимия- 1984. Т.20, №8. С.1139-1140.

35. Candela G.A, Chandler-Horowitz D., Novotny D.B., Vorburger T.V. Film thickness and refractive index Standart Reference Material calibrated by ellipsometry and pro-filometry // Proc.SPIE. Int. Soc.Opt. Eng, 1986. V.661 P.402-407.

36. Маслов В.П.,Одарич В .А. Эллипсометрические исследования механическиполированных образцов некоторых оптических стекол // ОМП. 1983. №3. 1983. С.60-61

37. Маслов В.П., Мельник Т.С., Одарич В.А. Эллипсометрические исследования поверхности поверхности кристаллического кварца после механической обработки // ОМП. 1985. №8. С. 1-2

38. Владимирова Т.В, Горбань Н.Я., Маслов В.П., Мельник Т.С., Одарич В.А. Исследование оптических свойств и строения поверхностного слоя ситалла // ОМП. 1979. №9. с.9-14.

39. Нечаева Н.А., Журавлев Г.И., Лисицын Ю.В. Применение метода эллипсометрии для оптимизации процесса глубокого полирования стекол К108 и ФЮ1 //ОМП. 1984. №9. С.61-62.

40. Yokota H,Sakata H,Nishibori M.,Kinosita К, Ellipsometrie study of polished glass surfaces // Surf.Scciens. 1969 . v. 16. P.265-267.

41. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И. Влияние полирующего абразива на оптические характеристики поверхностного слоя // ОМП. 1987. №7. С.29-31.

42. Храмцовский И.А.,Пшеницын В.И. Роль удельного давления в формировании оптических свойств поверхностного слоя при полировании кварцевого стекла //ОМП. 1986. №12. С.26-28.

43. Дагман Э. Е., Панькин В. Г., Свиташев К. К., Семененко А. И., Семененко А. В., Шварц Н.Л. Определение параметров поглощающих пленок с помощью метода эллипсометрии // Опт. и спектр. 1979. Т.46, вып.З. С.559-565.

44. Scandonne F.,Ballerini L. Theorie de la transmission et de la reflexion dans les systems de conches minces multiples //Nuovo Gemento. 1946. V.3. P.81-91.

45. Abeles F. Recherches sur la propagation des ondes electromagnetignes sinu-soedales dans les milienx stratifies // Ann.Phys. 1950. V.5. P.596, 706.

46. Дагман Э.Е.,Семененко A.JI. Исследование неоднородных отражающих систем методом эллипсометрии. I Апроксимация однородными слоями // Укр.физ.журнал. 1981. Т.26. №5. С.820-826.

47. Дагман Э.Е.,Семененко A.JI. Исследование неоднородных отражающих систем методом эллипсометрии. II Апроксимация линейными слоями // Укр. физ. журнал. 1981. Т.26. №6. С.820-826.

48. Дитчберн Р.Физическая оптика. М.: Наука, 1965. 632 с.

49. Шутов A.M. Методы оптической спектрополяриметрии. М.: КомКнига, 1965. 632с.

50. Швец В. А. О возможности определения комплексных коэффициентов отражения методом эллипсометрии //Опт. и спектр. 1983. Т.55, вып.З. С.558 -561.

51. Храмцовский И.А., Трофимов В.А., Секарин К.Г., Степанчук А.А.

52. Методы многоугловой и иммерсионной эллипсометрии // Меж. вуз. Сб: Нераз-рушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий / Под ред. А.И. Потапова. СПб: СЗТУ. 2009. вып. 16. С.253-258.

53. Храмцовский И.А. Эллипсометрия неоднородных слоев и шероховатых поверхностей оптических элементов // канд. дисс., 1999. С-Пб: ИТМО (ТУ), 245с.

54. Пшеницын В.И., Холдаров Н.Х., Храмцовский И.А., Калинина М.А., Тихомирова Н.И. Изменение оптических характеристик поверхностного слоя стекла при полировании // ОМП. 1987. № 8. С.28-31

55. Антонов В.А.,Пшеницын В.И.,Храмцовский И.А. Уравнение эллипсометрии для неоднородных и анизотропных поверхностных слоев в приближении Дру-де-Борна// Опт. и спектр 1987. Т.62, вып.4. С;828-831

56. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И., Каданер Г.И., Кислов^А.В. Учет оптических характеристик поверхностного слоя при определении коэффициентов отражения' и пропускания прозрачных диэлектриков // ЖПС. 1987. Т.46, №2. С.272-279.

57. Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Новый подход к эллипсометрии реальной поверхности оптических материалов // В сб. " Эллипсометрия: теория, методы,