способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра
Классы МПК: | G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных G01N21/21 свойства, влияющие на поляризацию |
Автор(ы): | Жижин Г.Н. (RU), Никитин А.К. (RU), Рыжова Т.А. (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ" (РУДН) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2004-03-22 публикация патента:
10.11.2005 |
Изобретение относится к области оптики конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных твердых тел. Способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра включает 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, 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. При этом падающее излучение разделяют на два пучка до его взаимодействия с образцом. ПЭВ преобразуют в объемную волну в пределах плоской поверхности образца направляющей ПЭВ, а регистрацию интенсивности излучения в области пересечения пучков осуществляют только в одной точке. После прохождения измерительным пучком в виде ПЭВ каждого из двух выбранных расстояний поверхности образца дополнительно регистрируют интенсивность его излучения. Техническим результатом является повышение точности и упрощение процедуры измерений. 1 ил.
![способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра, патент № 2263923](/images/patents/205/2263923/2263923.jpg)
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 nпл поверхности образца, измерение длины распространения ПЭВ Lo и L в обоих случаях, расчет оптических постоянных материала образца с использованием значений Lo, L, d, nпл 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 li (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 ko=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.
Класс G01R27/26 для измерения индуктивности и(или) емкости; для измерения добротности, например резонансным способом; для измерения коэффициента потерь; для измерения диэлектрических постоянных
Класс G01N21/21 свойства, влияющие на поляризацию