Способ определения неоднородности пространственного распределения оптического поглощения
Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для измерения неоднородности пространственного распределения поглощения в материалах и покрытиях. Оно может быть применено при контроле примесного состава или структуры оптических материалов Изобретение позволяет повысить чувствительность и точность измерений. Оно основано на сравнении теплового излучения из различных областей поверхности цилиндрического образца, последовательно облучаемых непрерывным лазерным излучением. Образец приводят во вращение с частотой, лежащей в пределах a/R2 f a/d2. где а - температуропроводность образца, R - расстояние от оси вращения до оси нагретой области d - диаметр лазерного луча на поверхности образца. При этом величину неоднородности распределения оптического поглощения определяют по переменной составляющей сигнала теплового излучения, регистрируемой на частоте f. 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (н)5 6 01 J 5/ОО
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4791894/25 (22) 15.02,90 (46) 23.10.92. Бюл. М 39 (71) Научно-исследовательский институт
Полюс (72) О.E. Сидорюк, Л.А, Скворцов и А.В, Шестаков (56) Нагибина И.M„Ïðoêoôüåâ В.Н, Спектральные приборы и техника спектроскопии, — Л.: Машиностроение, 1967, с, 15.
Лопаткин В.Н., Сидорюк О.Н„Скворцов
Л.А. Лазерная модуляционная фототермическая радиометрия — новый метод измерения малых поглощений в обьеме материалов и покрытиях. — Квант, эл — ка, 1985, т. 12, N 2, с, 339-347, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ (57) Изобретение относится к физической оптике и может быть использована для измерения неоднородности пространственИзобретение относится к физической оптике и может быть использовано для измерения неоднородности пространственного распределения . поглощения в материалах и покрытиях, Оно может быть применено при контроле примесного состава или структуры оптических материалов.
Один из способов, применяемых для определения пространственного распределения коэффициента оптического поглощения в образце. реализован в микрофотометре, «оторый предназначен для измерения с высоким разрешением плотности почернения фотоэмульсии в различных ее участках. Суть способа состоит в следующем. Излучение
„„5Q„„1 770778 A l ного распределения поглощения в материалах и покрытиях. Оно может быть применено при контроле примесного состава или структуры оптических материалов. Изобретение позволяет повысить чувствительность и точность измерений. Оно основано на сравнении теплового излучения из различных областей поверхности цилиндрического образца, последовательно облучаемых непрерывным лазерным излучением. Образец приводят во вращение с частотой, лежащей в пределах а/R < f< а/d . где а— температуропроводность образца, R — расстояние от оси вращения до оси нагретой области, d — диаметр лазерного луча íà поверхности образца. При этом величину неоднородности распределения оптического поглощения определяют по переменной составляющей сигнала теплового излучения, регистрируемой на частоте f, 1 ил. источника фокусируется на фотоэмул ьсию и 1 после прохождения через нее с помощью оптической системы попадает на фотопри- ч емник. При этом разность почернений двух фотометрируемых участков равна логариф- QQ му отношения сигналов на фотоприемнике, регистрируемых при различных положениях образца, Этот способ обеспечивает высокое пространственное разрешение при измерении коэффициентов поглощения в пленках, однако, не может быть использован в случаях, когда коэффициент поглощения в исследуемом образце составляет менее 1 (,.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ из1770778 мерения пространственного распределения оптического поглощения, основанный на регистрации изменения интегрального потока теплового излучения от образца при
его нагреве периодически следующими импульсами лазерного излучения. 8 этом способе образец облучвют периодически следующими импульсами лазерного излучения и регистрируют тепловое излучение с поверхности исследуемого об разца посредством приемника ИК-излучения, для увеличения поля зренйя которого применяют объектив. Таким способом удается измерять показатели поглощения в объеме материалов 10 ...10 см и коэффициенты поглощения в покрытиях вплоть до 10 ...
10 Использование линзы для фокусировки лазерного излучения позволяет достичь высокого пространственного разрешения при определении коэффициентов поглощения в образцах. При этом для получения данных о пространственном распределении оптического поглощения в материалах и покрытиях достаточно провести измерения в различных местах образца. Однако, данный способ не позволяет измерять разность коэффициентов поглощения, когда она оказывается меньше погрешности отдельного измерения коэффициента поглощения (11 ).
Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений неоднородности пространствен ного распределения оптического поглощения материалов и покрытий.
На чертеже приведена схема измерений.
Сущность способа состоит в том, что о неоднородности распределения оптического поглощения в образце 1 из полупрозрачных материалов цилиндрической формы судят посредством сравнения теплового излучения 3 от областей образца, последовательно облучаемых непрерывным лазерным излучением 2, при вращении образца вокруг его оси с частотой f, лежащей в пределах а/R < 1<а/б, где а — температуропровод2 ность образца, R — расстояние от оси вращения до оси нагретой области, d — диаметр лазерного луча на поверхности образца, Лазерное излучение, частично поглощаясь, вызывает нагрев его поверхности, причем тем более существенный, чем больше коэффициент поглощения. Соответственно области образца с различным поглощением нагреваются за одинаковое время до различных температур в результате поочередного воздействия на них лаверного излучения, При этом величину неоднородности определяют по переменной составляющей сигнала теплового излучения, регистрируемой на частоте f ИК-приемником 4.
Условие для f связано с требованием необходимости полного охлаждения каждо5 го участка поверхности образца за время до последующего воздействия на него в условиях периодического сканирования.
Сравним чувствительность при измерении неоднородности распределения опти10 ческого поглощения в образцах полупрозрачных материалов в заявляемом способе и прототипе. Естественно, сопоставление имеет смысл производить при одинаковых частотах модуляции, так как
15 только при этом возможно исключить влияние собственных характеристик образцов и регистрирующей аппаратуры. Однако это не ограничивает общности сравнения.
Если считать, что используются одно20 типные лазеры, объективы, приемники теплового излучения и системы обработки электрических сигналов, то можно. исходить из равенства минимальных значений Umin u
Umin* регистрируемых переменных состав25 ляющих теплового излучения s обоих рассматриваемых случаях, т.е.
Umin = Umin*
30 В прототипе
UmIn* = К . Р itin (2) где K — коэффициент, определяемый тепло35 физическими характеристиками образца, его начальной температурой и регистрирующей аппаратурой;
Р— плотность мощности лазерного излучения;
40 ап — минимальный измеряемый коэффициент локального поглощения, В заявляемом способе
Umin = К P (а — аг ) min, (3)
45 где Q1 и Q2 — предельные значения коэффициентов локального поглощения на участке сканирования; (а — аг)п — минимальное регистрируемое значение неоднородности распределения поглощения в образце.
Сопоставляя (1}, (2), (3), получаем: (а — аг)аь =а п
В то же время в прототипе
1770778
20 где д- относительная погрешность измерения локального поглощения, . а — локальное поглощение, большее из а> иа .
Очевидно, в прототипе значение погрешности д = 11ь приведено для а » ал,ь,, по крайней мере а > 100 i>,, поскольку в расчет не принималась случайная ошибка. Выражение (5) можно привести к следующему; (а1 — uZ)i> > 15 ai> (6) Сопоставляя (4) и (6}, приходим к выводу, что в заявляемом способе предельная чувствительность измерений по крайней мере на порядок выше, чем в прототипе.
В заявляемом способе выше и точность измерений. Действительно, относительная погрешность измерения неоднородности распределения оптического поглощения (т.е. величины а1 — аг ) составляет 11 . В прототипе относительная погрешность 11, характернадля каждой из величин Ql и а .
При этом относительная погрешность определения величичы al — а ) может оказаться больше в несколько раз.
Пример 1, Производилось измерение неоднородности распределения оптического поглощения на длине волны 531 нм в цилиндрических образцах карунда, легированного ионами титана. Образец представлял собой шайбу диаметром 20 мм и толщиной 10 мм с оптическими поверхностями, перпендикулярными аси 2.
Он подвергался воздействию непрерывнага излучения мощностью 1,8 Вт, диаметр пучка которого на поверхности образца составлял d = 0,5 мм. Устройство перемещения, на котором укреплялся образец 1, приводило его во вращение с частотой f = 2,7 Гц. Расстояние ат оси вращения до центра нагретой области 7 мм. При этом условие a/R < f < а/d было выполнена (э =8,4 10 см /с). Переменную составляющую теплового излучения от образца регистрировали с помощью пираметра, включающего германиевый объектив для ИК-излучения и пираприемник на основе танталата лития, Электрический сигнал с выхода пирометрэ подавали на вход селективнага нановальтметрэ, настроенного на частоту f = 2,7 Гц. Измеренный электрический сигнал составил Ul = 25 мкВ.
Для определения абсолютной величины неоднородности прастрэнственнага распределения оптического поглощения
55 щих известн1ые коэффициенты поглощения а1= 0,28 см и а -0,35 см (образцы с разными концентрациями легирующей примеси титана). Контрольные кристаллы имели форму в виде полуцилиндров, причем сжатые вместе по плоскости осевого сечения они представляли собой образец, размерь. которого соответствовали размерам исследуемого образца, Составной контрольный образец приводился во вращение. причем ось вращения находилась в плоскости стыковки двух кристаллов, в центре цилиндра. Частота вращения f, а также параметры d u R соответствовали аналогичным для исследуемого образца. Регистрируемая в этом случае селективным нано вольтметром переменная составляющая нэ частоте f была равна 02 = 190 мкВ. Величину неоднородности распределения оптического поглощения в исследуемом образце вычисляли па формуле Ul %пах %nlrb = (й1 Q2) — К 2 Коэффициент К обусловлен различной формой сигналов и равен отношению коэффициентов при первом члене в разложении Фурье. Поскольку сигнал ат исследуемого образца близок к синусоиде с частотой f, а в случае калибровки является меандрам с 4 частотой основной гармоники f та К = — . Л Соответственно „â€” al = 0,01 см что для образца с а = 0,55 см означает неоднородность около 27,. По результатам измерений удается судить а неравномерностях распределения в образцах карунда легирующей примеси ионов титана. Пример 2, Производилось измерение неоднородности пространственного распределения оптического поглощения на длине волны А= 1,06 мкм в покрытиях окиси кремния с хромом на подложках из плавленого кварца (а =8 10 см /с). Образцы представляли собой диски диаметром 70 мм и толщиной 3 мм, Он подвергался воздействию непрерывного излучения мощностью 1 Вт, диаметр пучка которого на поверхности образца составлял d = 0,5 мм. Образец приводили во вращение с частотой f = 2.5 Гц. Расстояние от оси вращения (центра диска) до центра нагретой области составляло 30 мм. В условиях, аналогичных описанным в примере 1, производилась регистрация пе1770778 ременной части электрического сигнала на частоте, Для проведения калибровки аналогичные измерения производились на диске. поверхность которого покрыта лишь наполовину пленкой с известным коэффициентом поглощения(P-32 ), причем линия раздела напыленной и чистой поверхности проходит по диаметру поверхности диска. 8 этом случае регистрировался сигнал U2. Величина неоднородности распределения поглощения в исследуемом образце находилась по формуле: Pmax -фв1п =P — * — =0,2 $ О1 02 Получаемые в описанных измерениях результаты позволяют судить об однородности толщины наносимых на диск AoKpblтий, Формула изобретения Способ определения неоднородности пространственного распределения Оптического поглощения в образцах полупрозрач5 ных материалов цилиндрической формы, заключающийся в сравнении теплового излучения из областей образца, последовательно облучаемых лазерным излучением, отличающийся тем, что, с 10 целью повышения чувствительности и точности измерений, образец приводят во вращение с частотой, лежащей в пределах а/R < f < а/б, где а — температуроп2 2 роводность Образца, R — расстояние от оси 15 вращения до оси нагретой области, б — диаметр лазерного луча на поверхности образца, нагрев производят лазером непрерывного действия, а неоднородность определяют по переменной составляющей 20 сигнала излучения, регистрируемой на частоте f.
