Устройство для измерения механических напряжений в деталях, выполненных из оптически прозрачных материалов

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в кристаллических подложках и эпитаксиальных структурах. Целью изобретения является повышение скорости и точности измерений в тонких пластинах оптически прозрачных материалов. Устройство содержит источник излучения, оптическую систему с расположенными на одной оптической оси поляризатором, электрическим модулятором - компенсатором, анализатором , фотоэлектрическим регистрирующим прибором, систему двух положительных линз, расположенных после компенсатора и механизмом перемещения пластин в фокальной плоскости системы линз, причем апертуру светового пучка , прошедшего через систему двух линз, рассчитывают по формуле. Р arcsin {«Г d -3 1 преломления где п и t0 - показатель преломления и средняя толщина измеряемой пластины соответст венно, a fl - длина волны излучения, прошедшего через пластину. 3 ил. С/ 05 ел

ССНИ СОВЕТСКИХ

COIIAI

РЕСПУБЛИК аа (22) (5))5 С 01 2 1/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ риалов.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

И ASTOPCNOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4679109/10 (22) 08. 02.89 (46) 23.05.91. Бюл. У 19 (72) А.А. Ворнычев, С.Н. Захаров, В.Н. Казимиров, П.С. Костюк, Д.Г. Крутогин, Л.М. Летюк, Н.М. Пономарев и Н.Г. Сорокин (53) 531.781 (088.8) (56) Пеньковский А.И. Прибор для одновременных непрерывных измерений параметров двулучепреломления. Труды VII Всесоюзной конференции по поляризационно-оптическому методу исследования напряжений. т.1, Таллин, АН ЭССР, 1971.

Авторское свидетельство СССР

9 223430, кл. G 01 L 1/24, 1968. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в кристаллических подложках и в эпитаксиальных структурах.

Цель изобретения — повышение скорости и точности измерений в тонких пластинах оптически прозрачных матеНа фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 — градуировочный гра2 напряжений в кристаллических подложках и эпитаксиальных структурах.

1Целью изобретения является повышение скорости и точности измерений в тонких пластинах оптически прозрачных материалов. Устройство содержит источник излучения, оптическую систему с расположенными на одной оптической оси поляризатором, электрическим модулятором — компенсатором, анализатором, фотоэлектрическим регистрирующим прибором, систему двух положительных линз„ расположенных после компенсатора и механизмом перемещения пластин в фокальной плоскости системы линз, причем апертуру светового пучка, прошедшего через систему двух 222 линз, рассчитывают по формуле;

Р=

= arcsin где и и о о — показатель преломпения и средняя толщина измеряемой пластины соответст.венно, а Я вЂ” длина волны излучения, прошедшего через пластину. 3 ил. фик для выбора расстояния между линзами; на фиг.3 — график изменения выходного сигнала: а — при использовании системы линз, б — без системы линз ° !

Устройство содержит ОКГ 1, оптическую систему с поляризатором 2, электрооптическим модулятором-компенсатором 3, на вход которого подается фазосдвигающее постоянное напряжение с наложенным на него напряжением модуляции, системой двух собирающих

1651115

20

Um К ° /ЯХп(ЬО+ bK) Ь

Дб =—

2 С.t линз 4 и анализатором 5, механизмы

6 перемещения образца, фотоэлектрический регистрирующий прибор 7, селективный усилитель 8 и самописец 9.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от оптического квантового генератора 1 попадает на поляризатор 2 и затем проходит через модулятор-компенсатор 3, ориентированный так, что угол между наведенными электрическим полем осями

pv и осью поляризатора равен /А. Далее световой пучок проходит через систему двух собирающих линз 4, расстояние между которыми 1 равно

1 = К, + Е, + 2.f< Х, ° tgP (1) где fq и f < — фокальное:расстояние первой и второй линз соответственно;

1 — величина апертуры, соответ- 25 о ствующей минимуму колебаний

1, прошедших при заданной

"о

По формулам (3) и (1) пр оводится расчет, по результатам которого строится градуировочный график (или таблица) для данного материала и данной длины волны используемого излучения.

При проведении измерений величина 1 устанавливается по градуировочному графику (таблице) для пластин гадолиний-галлиевого граната (n =

1,9701) толщиной 200-1000 мкм (пластины меньшей и большей толщины практически не применяются), ф= 0,63 мкми f = f = 10 см

40 (фиг.2) .

Сформированный гомоцентрический пучок проходит через образец 6, находящийся в фокусе пучка, через анализатор 5, ось которого составляет с осью поляризатора угол р /2, и

I попадает на ФЭРП 7.

Интенсивность светового пучка равна

Х .= з1п (Д + Ь„+Q sinQt)

- сов(Ь,+Ь„ ) + sin(5s+ ДК)"

a „, sinQt + - соз(Д + Ь ) "

1 х д2 sin. юг. + . ° . где — разность фаз, даваемая образцом;

Ьк — разность фаз, даваемая компенсатором;

Ь„ — амплитуда модуляции;

Я вЂ” частота модуляции.

Электрический сигнал с ФЭРП поступает на вход селективного усилителя

8, который выделяет сигнал частоты модуляции. С выхода усилителя постоянный электрический сигнал, величина которого пропорциональна величине амплитуды I поступает на самописец 9 °

Механизм 5 перемещения продвигает образец в плоскости, перпендикулярной лучу, со скоростью 0,2-0,5 см/с вдоль линии, в каждой точке которой оси главных напряжений составляют с осью поляризатора угол и /4. На ленте самописца записывается величина амплитуды электрического сигнала U come ответствующего I и равного где К вЂ” коэффициент пропорциональности.

Так как знак электрического сигнала не зависит от знака Ьо, то для получения однозначного профиля

U „ необходимо установить Д =

+Доv Оили hp +

+ Ьs C 0 для любого участка образца.

Поле ленты самописца перед измерениями калибруется по величине Д, благодаря линейной зависимости Д от Ч„, где Ч < - величина постоянного электрического напряжения, подаваемого на модулятор-компенсатор.

Значение разности напряжений 5 6 в любой точке можно получить,по зависимости где t - толщина образца; ф — длина волны используемого излучения;

С - фотоупругая постоянная, 50 — разность фаз, возникшая при прохождении светового пучка через напряженный участок.

Расстояние между линзами 1 выбио рают из расчетного градуировочного графика зависимости этого расстояния от средней толщины образца, построенного на основе заданных показателя

16511 преломления материала образца, длины волны используемого излучения и величины фокусных расстояний обеих линз (фиг.2).

В ооъектах, дающих малый набег разности фаэ, зависимость I от. напряжений близка к линейной, поэтому скорость измерений можно существенно повысить, используя известное устройство, в сочетании с перемещением образца перпендикулярно лучу с постоянной скоростью при одновременной записи Q. Полученную зависимость можно откалибровать и получить профиль напряжений по линии пересечения образца с лучом. Калибровку нужно проводить по известньм значениям величины добавочной разности фаз, 20 вносимой компенсатором. Такой подход должен дать значительно большую точность, чем при измерениях в отдельной точке с ошибкой, равной измеряемой величине. Необходимым условием

25 использования перемещения является. неизменность угла между осями напряжений и осью поляризатора вдоль линии измерений (как указывалось выше, этот угол равен II /4). К объектам, удовлетворяющнм этому условию, относятся пластины, вырезанные из кристаллов цилиндрической Формы, выращенных в осесимметричном тепловом

I поле (например методом Чохральско- 35 го). Если пластины вырезаны перпендикулярно оси выращивания, то присутствующие в них напряжения депятся на радиальные и . тангенциальные, причем любой диаметр является лини- 40 ей, вдоль которой направления осей напряжений не меняются. Такие пластины используются, в частности, в качестве подложек при получении эпитаксиальных структур, их толщина сос- 45 тавляет обычно 300-500 мкм. В подоб. ных объектах использование перемещения не дает положительного результата, так как участок исследуемой пластины при прохсикдении через него свето-50 вого пучка воздействует на него как интерферометр Фабри-Перо, в результате интенсивность света, прошедшего через образец, определяется Формулой

Зри 55

Х „.(1 — К) о

«»а л. .У

»5 Olll n t

+ К» - 2 К cos(4 -z- cost() и (2) 15 де пад интенсивность света, падающего на образец; коэффициент отражения; показатель преломления материала образца; угол падения света на образ ец.

Изменение толщины по линии измерений приведет .к возникновению колебаний I „ . Амплитуда колебаний Х

ЯФ вызванных разнотолщннностью, может превышать изменения I из-за напряжений, что приводит к неоднозначности снимаемой зависимости.

Используя систему двух собирающих линз, можно сформировать гомоцентрический световой пучок с действительным фокусом; если в этот Фокус поместить исследуемую пластину, то интенсивность света, прошедшего через образец, равна (1 — R)

Х > пад прош А (1 — cos$) (3) (2 + F>

1 — cos(+

4qn

ant

К з1п(4» — cos$) а

arctg

nt — R соз(4» — cosf h nt

R sin(4a — ) % — arctg — —-- лп

1-К соз(4»вЂ” ф

1+R — 2Ксоз (4» -- ) псi

F=- — — - In

8»nt лП

1+К вЂ” 2Rcos (4» — cos$)

sing

= arcsin(), и где — угловая апертура гомоцентрического пучка.

Неплоскопараллельность образца вызывает колебания I„, амплитуда которых определяется средней толщиной образца t и величиной Р при заданных п и ф . Для любого значения t сущест-. о вует значение величины Ро, при котором амплитуда колебаний I О меньше десятых долей процента, при этом значения разнотолщинности пластин могут достигать величин более 10 мкм.

1651115

1О

20

Тогда

%m сов 1 — )

2nto где m = 1,2,3,...

В этом случае

= arcsin

° ° о

= arcsin

° °

= arcsin

45

Профиль изменения величины электрического сигнала, поступающего на самописец, при измерениях с использованием системы линз и без нее, показан на фиг.3. Образец представляет собой пластину гадолиний-галлиевого граната диаметром 76 мм, толщиной 712 мкм и разнотолщинностью gt м 3-4 мкм.

Профиль снят по диаметру образца.

На фиг.За после градуировки нанесен масштаб изменения величины разности фаз по диаметру пластины. Одно-, значного профиля изменения Q с помо1яью известного .устройства получить не удалось ввиду низкой точности измерений.

При решении уравнения (3) установлено, что минимумы колебании достигаются при выполнении,,равенства

cos(4g - ) cos(4 — сов ) °,- nty п о

Наиболее широкая область изменен я толщины пластины, в которой амплитуда колебаний I bfa меньше десятых долей процента, достигается ( п и m 1, тогда

Таким образом при перемещении образца 6 в фокальной плоскости системы двух линз 4, расстояние меж1 ду которыми устанавливается до начала измерений по формуле (5), интенсивность светового пучка, попадающего в ФЭРП, определяется величиной амплитуды колебаний интенсивности, вызванных измерением толщины образца, и будет меньше десятых долей процента..Форма кривой, получаемой на ленте самописца, однозначно определяется изменением величины двулучепреломпения образца.

Формула из обр ет ения

Устройство для измерения механических напряжений в деталях, выполненных из оптически прозрачных материалов, содержащее последовательно установленные на одной оптической оси источник светового излучения, поляризатор, электрооптический модулятор, анализатор и фотоэлектричес-.. кий регистрирующий прибор, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения скорости и точности измерения в образцах, выполненных в виде пластин, в него введены оптическая система, выполненная в виде двух положительных линз, расположенных на одной оптической оси после модулятора,и механизм перемещения пластин в фокальной плоскости оптической системы, расположенный между оптической системой и анализатором, при этом апертура оптичеекой системы соответствует где n — показатель преломления измеря емой пластины, и - средняя. толщина измеряемой пластины; — длина волны светового излучения ° (651115

Составитель В. Маслов

Редактор А. Козориз Техред С.Мигунова Корректор Л. Патай

Тираж 366

Заказ 1601

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Mo(.êâà, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101