способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра

Формула изобретения

Способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра, включающий разделение пучка падающего монохроматического излучения на реперный и измерительный пучки, возбуждение падающим излучением поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на плоской поверхности образца, пробег ПЭВ двух различных макроскопических расстояний l₁ и l₂, регистрацию интенсивности излучения в области пересечения реперного и измерительного пучков при данных l₁ и l₂, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по результатам измерений и диэлектрической проницаемости материала образца путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца, отличающийся тем, что падающее излучение разделяют на два пучка до его взаимодействия с образцом, ПЭВ преобразуют в объемную волну не на краю образца, а в пределах его плоской поверхности, направляющей ПЭВ, регистрацию интенсивности излучения в области пересечения пучков осуществляют только в одной точке и, кроме того, дополнительно измеряют фазовый набег поля ПЭВ на дистанции l=l ₁-l₂, а также регистрируют интенсивность излучения I₁ и I₂ измерительного пучка после прохождения им в виде ПЭВ расстояний l₁ и l ₂, соответственно, при этом расчет обеих частей комплексного показателя преломления осуществляют по формулам

где k₀=2/, - длина волны излучения в свободном пространстве.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптики конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных твердых тел с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости, способных направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) [1], а также для оптической спектроскопии и оптического контроля качества поверхности таких тел.

Известен способ определения оптических постоянных металлов в инфракрасном (ИК) диапазоне, основанный на изучении распространения ПЭВ вдоль границы раздела «металл-воздух» на макроскопические расстояния (несколько сантиметров) [2]. Этот способ включает последовательное возбуждение зондирующим монохроматическим p-поляризованным излучением ПЭВ на чистой и содержащей тонкую непоглощающую пленку с известными толщиной d и показателем преломления n_пл поверхности образца, измерение длины распространения ПЭВ L_o и L в обоих случаях, расчет оптических постоянных материала образца с использованием значений L_o, L, d, n_пл и длины волны излучения по приближенным формулам или путем решения дисперсионных уравнений ПЭВ для двух- и трехслойных структур. Основными недостатками способа являются низкая точность измерений (ошибка не менее 10%) и необходимость нанесения на поверхность образца твердотельной диэлектрической пленки, что делает способ контактным и часто даже разрушающим.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел [3]. Способ включает: разделение пучка падающего монохроматического излучения на реперный и измерительный пучки, а также возбуждение падающим излучением ПЭВ на поверхности образца, осуществляемые одновременно на краю непрозрачного экрана, размещенного в окружающей среде у поверхности образца; последовательный пробег ПЭВ двух различных макроскопических расстояний; преобразование ПЭВ в объемную волну на краю образца; регистрацию распределения интенсивности излучения над поверхностью образца в области пресечения реперного и измерительного пучков при выбранных расстояниях пробега ПЭВ; расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по результатам измерений и диэлектрической проницаемости материала образца путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца. Основным недостатком способа является низкая точность определения диэлектрической проницаемости материала образца, не превышающая 10%. Этот недостаток обусловлен следующими причинами: во-первых, сильной зависимостью интерференционной картины от формы и состояния края образца; во-вторых, участием в образовании интерференционной картины не только измерительного и реперного пучков, но также излучения прямого пучка, проходящего под экран, и излучения от мнимого изображения источника (ллойдовская интерференция).

В основу изобретения поставлена задача разработки нового способа определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра на основе изучения характеристик ПЭВ, возбуждаемых зондирующим излучением на поверхности образца, позволяющего повысить точность и упростить процедуру измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе определения диэлектрической проницаемости твердых тел, включающем разделение пучка падающего монохроматического излучения на реперный и измерительный пучки, возбуждение падающим излучением ПЭВ на плоской поверхности образца, пробег ПЭВ двух различных макроскопических расстояний, регистрацию интенсивности излучения в области пересечения реперного и измерительного пучков при выбранных расстояниях пробега ПЭВ, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по результатам измерений и диэлектрической проницаемости материала образца путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца, падающее излучение разделяют на два пучка до его взаимодействия с образцом, ПЭВ преобразуют в объемную волну в пределах плоской поверхности образца направляющей ПЭВ, при этом регистрацию интенсивности излучения в области пересечения пучков осуществляют только в одной точке, а после прохождения измерительным пучком в виде ПЭВ каждого из двух выбранных расстояний поверхности образца дополнительно регистрируют интенсивность его излучения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений и упрощение процедуры измерений, который достигается за счет следующих факторов: 1) из процесса интерференции устраняются излучение прямого пучка и излучение от мнимого изображения источника; 2) преобразование ПЭВ в объемную волну реализуют не на краю образца с неизвестными характеристиками, а на элементе с известными и независящими от образца параметрами; 3) мнимую часть показателя преломления ПЭВ определяют не по изменению контраста сложной интерференционной картины, а путем непосредственного измерения изменения интенсивности излучения измерительного пучка, прошедшего в виде ПЭВ два различных расстояния по поверхности образца; 4) результат интерференции излучений реперного и измерительного пучков регистрируют не во многих точках (вдоль нормали к поверхности образца), а только в одной точке.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 1 - источник p-поляризованного монохроматического излучения, 2 - лучеразделитель, расщепляющий пучок падающего излучения на измерительный и реперный пучки, 3 - зеркало, 4 - элемент преобразования объемного излучения измерительного пучка в ПЭВ, 5 - твердотельный образец с плоской поверхностью, 6 - элемент преобразования ПЭВ в объемное излучение, 7 - зеркало, 8 - лучеразделитель, совмещающий измерительный и реперный пучки, 9 - фокусирующий объектив, 10 - фотоприемное устройство, 11 - регулируемый компенсатор, 12 - заслонка, перекрывающая реперный пучок при регистрации интенсивности излучения измерительного пучка.

Устройство работает, и способ осуществляется следующим образом. P-поляризованное монохроматическое излучение источника 1 с длиной волны направляют на лучеразделитель 2, расщепляющий пучок падающего излучения на измерительный и реперный пучки. Излучение измерительного пучка отражается от зеркала 3 и падает на элемент 4, преобразующий объемное излучение в поверхностную волну. ПЭВ пробегает по поверхности образца 5 макроскопическое расстояние l_i (причем l ₁>10) и элементом 6 преобразуется в объемную волну, которая, последовательно отражаясь от зеркала 7 и лучеразделителя 8, падает, проходя через объектив 9, на фотоприемник 10. На этот же фотоприемник направляют и излучение реперного пучка, прошедшее через компенсатор 11 и лучеразделитель 8. В результате интерференции освещенность апертуры фотоприемника 10 определяется как амплитудами полей обоих пучков, так и соотношением их фаз. Изменяя дополнительный фазовый сдвиг, вносимый компенсатором 11, добиваются максимальной освещенности приемника 10, чему соответствует синфазное изменение полей обоих пучков. Затем заслонкой 12 перекрывают реперный пучок и регистрируют интенсивность измерительного пучка I₁.

На следующем этапе измерений элемент 6 отодвигают от элемента 4 на некоторое расстояние l₂>l₁. Регулируя компенсатор 11, вновь добиваются максимума фототока с приемника 10; при этом дополнительный фазовый сдвиг , сообщаемый компенсатором излучению реперного пучка, равен фазовому набегу поля ПЭВ на дистанции l=l ₂-l₁, который составляет величину =k _o·l·' (где k_o=2/). Поэтому, измеряя величину , вносимую компенсатором 11, можно однозначно определить действительную часть показателя преломления ПЭВ:

Для определения мнимой части показателя преломления ПЭВ '' необходимо и при новом положении элемента 6 измерить интенсивность излучения измерительного пучка, которая составит на этот раз величину I₂<I₁ вследствие тепловых потерь ПЭВ в материале образца. Тогда:

Подставляя определенные таким образом ' и '' в дисперсионное уравнение ПЭВ для двухслойной структуры (см. [1]) и используя известные и диэлектрическую проницаемость окружающей образец среды, однозначно определяют диэлектрическую проницаемость материала образца.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения диэлектрической проницаемости алюминия на длине волны =20 мкм. В качестве элементов преобразования объемного излучения в ПЭВ и обратно выберем призмы из CaF₂, имеющие две плоскопараллельные грани, перпендикулярные основанию, располагаемому в воздухе параллельно поверхности образца на расстоянии 10. Пусть в исходном положении расстояние между призмами l₁ равно 2 см, а освещенность фотоприемника 10 при этом максимальна. Перекрыв реперный пучок заслонкой 12, измеряют интенсивность излучения измерительного канала I₁. Затем плавно отодвигают призму 6 относительно призмы 4 вдоль поверхности образца на расстояние l₂; положим l₂=5 см. После этого освещенность приемника 10 уменьшилась. Регулируя компенсатор 11, добиваются максимального фототока с приемника 10 и определяют дополнительный фазовый сдвиг , равный фазовому набегу поля ПЭВ на дистанции l=l ₂-l₁. Пусть величина оказалась равной 0,2262 радиан (13°). Подставляя значения , l и в формулу (1) получим '=1,000024. Вновь, перекрыв заслонкой 12 реперный пучок, измеряют интенсивность излучения реперного пучка I₂, соответствующую расстоянию I₂ между призмами. Пусть величина I₂ составила 0,55·I₁. Тогда из формулы (2) получим, что ''=0,000063. Подставив найденные значения ' и '' в дисперсионное уравнение ПЭВ для двухслойной структуры, получим следующие значения действительной ' и мнимой '' части диэлектрической проницаемости алюминия: '=-7500, ''=10000. Учитывая, что точность измерения величины достигает 1 угловой минуты [4], точность измерения интенсивности излучения - не ниже 1% [5] (при точности задания - 1%, диэлектрической проницаемости воздуха (окружающей среды) - 0,1% и точности измерения l - 10 мкм), точность определения ' и '' предлагаемым методом составляет 1% и 3%, соответственно.

Таким образом, применение в заявляемом способе разделения зондирующего излучения на реперный и измерительный пучки не во время взаимодействия излучения с образцом, а до этого взаимодействия, использование для преобразования ПЭВ в объемную волну элемента с независящими от образца параметрами, непосредственная регистрация изменения интенсивности излучения измерительного пучка при изменении расстояния, пробегаемого ПЭВ по поверхности образца, и регистрация интерференции обоих пучков не во многих, а только в одной точке, позволяет повысить точность измерений в 5-10 раз и упростить процедуру их выполнения.

Источники информации

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред/Под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.

2. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Оптические постоянные меди, полученные по распространению поверхностных электромагнитных волн//Физика твердого тела, 1979, т.21, вып.9, с.2828-2831.

3. Алиева Е.В., Жижин Г.Н., Кузик Л.В., Яковлев В.А. Исследование кристаллов в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра методом спектроскопии поверхностных электромагнитных волн//Физика твердого тела, 1998, т.40, вып.2, с.213-216. (Прототип)

4. Ржанов А.В., Свиташев К.К., Семененко А.И. и др. Основы эллипсометрии/Новосибирск, 1979. - 422 с.

5. Кабашин А.В., Никитин П.И. Интерферометр с использованием поверхностного плазмонного резонанса для сенсорных применений//Квантовая электроника, 1997, т.24, №7, с.671-672.