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 деталипри 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 контроляоптических характеристик неоднородных и анизотропных оптических систем использованыпри 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, приложениясодержит 128 страниц основного текста, 39 рисунка и 6 таблиц.

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 системобразцовые 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®] 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 элементовоптотехники ' 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.