Способ определения действительной части показателя преломления металла

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ МЕТАЛЛА, основанный на взаимодействии светового пучка с металлом, о тлячающийся тем, что, с целню повышения точности определения действительной части показателя преломления металла в спектральной области , где эта величина меньше одной де сятой мнимой части показателя преломления , для фиксированных частот аз, указанной спектральной области на исследуемый металл наносят диэлектрический слой с показателем преломления и толщиной Dg , а затем диэлектрический слой с показателем преломления и толщиной Dy , причем показатели преломления диэлектрических слоев и толщина второго слоя для фиксированной частоты светового пучка выбраны из соотношения .nPMl l . К--) . . НТКЧ ч LV а b / м d bJ /. где С- - скорость света в вакууме, Кд,- мнимая часть показателя преломления металла, а толщина второго слоя Dg такова, что для нее выполняется соотношение (Л 1 I ч«1 , е,р. .l-n V затем через полученную структуру пропускают световой пучок с фиксированной частотой излучения, возбуж дая в ней направляемую ТМ-моду, и ел измеряют интенсивность вышедшего из структуры светового пучка, по кото00 Од рой определяют спектр этого пучка, измеряют полуширину с спектра, а со действительную часть показателя определяют преломления металла по формуле ( u) i -lfv.,.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

4(si) G 01 N 21 41

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТБУ

K2-nZ

Д м В

М УР (пХ иа )К2 и2 и2 иЬ f(.И .")К .2. )/.

/ 2

Е«дР ЬЭЬ екрС м Ь

Км

n =d

"в ((и „- « к „- и „n «) lf Ä

„2 3, 2

Ь

2 м

Г

2.

2 («i2 « /Р tl

,К -и и К и) Д +

Ь

4!, < R/4 C и ь

+" Ь

«.u=u) и (21) 3651432/24-25 (22) 11. 10.83 (46) 23.04. 85. Бюл. В 15 (72) В.Г.Федосеев и П.В.Адамсон (7 1) Институт физики АН Эстонской ССР (53) 535.24(088.8) (56) 1. Горшков М.М. Эллипсометрия.

М., "Советское радио", 1974.

2. ХоЬпвоп P.Â., Christy R.M.

0ptical Constants of the Noble

Metals Physical Review В, 6, 12, 1972, р. 4370-4379 (прототип). (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

МЕТАЛЛА, основанный на взаимодействии светового пучка с металлом, о тл .и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения действительной части показателя преломления металла в спектральной области, где эта величина меньше одной десятой мнимой части показателя преломления, для фиксированных частот ш указанной спектральной области на исследуемый металл наносят диэлектрический слой с показателем преломления пц и толщиной 3, а затем диэлектрический слой с показателем преломления «ис, « Ь и толщиной В„, причем показатели преломления диэлектрических слоев и толщина второго слоя для фиксированной частоты жк светового пучка выбраны из соотношения

„„SU„„1151869 где С вЂ” скорость света в вакууме, К вЂ” мнимая часть показателя преломления металла, а толщина второго слоя D< такова, что для нее выполняется соотношение затем через полученную структуру пропускают световой пучок с фиксированной частотой излучения, возбуж дая в ней направляемую ТМ-моду, и измеряют интенсивность вышедшего из структуры светового пучка, по которой определяют спектр этого пучка, измеряют полуширину « спектра, а действительную часть показателя преломления металла и„ определяют по формуле

1 l 151

Изобретение относится к технике -. измерения показателей преломления металлов и сплавов, и может быть использовано в оптической промышленности, лазерной технике, интегральной оптике, оптоэлектронике.

Известен способ определения показателя преломления металла в оптической области спектра эллипсометрическим методом 1).

Недостатком этого способа является требование проведения измерений в сверхвысоком вакууме, поскольку эллипсометрический метод очень чувствителен ко всякого рода загрязнениям поверхности. !

Наиболее близким к предлагаемому Ь по технической сущности является М g способ определения действительной части показателя преломления металла, основанный на взаимодеиствии

20 и анъ4ц светового пучка с металлом, путем нанесения на прозрачную подложку пленки металла толщиной не менее Ф Ю Юф

250 А и измерения коэффициентов отражения и пропускания р -поляризо25 где ванного света при нескольких углах падения. При этом сверхвысокий вакуум не требуется, и метод мало чувствителен к состоянию поверхности пленки f23.

Недостатком известного способа является большая неточность определения действительных частей показателей преломления металлов в той спектральной области, где эти ве- З5 личины малы, например в ближней инфракрасной области, поскОльку коэффициент отражения света от металла при малой действительной части показателя преломления определяется в первую очередь мнимой частью показателя преломления металла.

Цель изобретения — повышение точности определения действительной части показателя преломления металла в спектральной области, где эта величина меньше одной десятой мнимой части показателя преломления.

Поставленная цель достигается тем. что согласно способу определения 50

869 2 действительной части показателя преломления металла; основанному на взаимодействии светового пучка с металлом, для фиксированных частот ы

R указанной спектральной области на исследуемый металл наносят диэлектрический слой с показателем преломления в и толщиной Dg, a затем диэлектрический слой с показателем преломления в„> ng и толщиной 2

ol 1 причем показатели преломления диэлектрических слоев и толщина второго слоя для фиксированной частоты шя светового пучка выбраны из соотношения

С - скорость света в вакууме

К„, — мнимая часть показателя преломления металла, толщина второго слоя 3 таков ва, что для нее выполняется соотношение затеи через полученную структуру пропускают световой пучок с фиксированной частотой излучения, возбуждая в ней направляемую ТМ-моду, и измеря40

0 ют интенсивность вышедшего из структуры светового пучка, по которой определяют спектр того пучка, измеряют полуширину о" спектра, а действительную часть показателя преломле45 ния металла ь„определяют по формуле

1,г 3В ае — — -1 В яЕ

1 м

du) авю1

На фиг. 1 представлена принципи- . ции предлагаемого способа, на фиг.2— альная схема устройства для реализа- расчетные спектральные зависимости

3 1151 коэффициента затухания ТИ-моды четырехслойного металло-диэлектрического волновода «(ы) и величины х(ш)р (w)Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит перестраиваемый источник 1 р-поляризованного света, призму 2 для возбуждения TNмоды металло-диэлектрического волновода, металло-диэлектрический волновод 3, призму 4 для вывода излучения 1б иэ волновода и регистрирующее устройство 5.

Способ определения и„ осуществляется следующим образом.

Иа поверхность исследуемого метал-15 ла наносят сперва диэлектрическую пленку с показателем преломления и и с толщиной Эе, а затем диэлектрическую.пленку с показателем преломления n„, причем и„ > n, и Zg с толщиной Э® . В качестве диэлектрика нужно выбрать такой материал, у которого потери и дисперсия показателя преломления малые величины, например, высококачественные стекла.

Толщина Ре должна быть достаточно велика, чтобы осуществлялось слабое примешивание поверхностного )тлазмона к направляемой ТМ-моде трехслойного волновода так, чтобы удовлетво- 3б ря) ось соотношение где . — расстояние между призмами.

Изменяя длину волны источника света, получают спектр «(iu) p (w) и определяют его полуширину

Предложенный способ наиболее удобен при малых значениях >, когда о также мало. Тогда с высокой точностью можно пренебречь дисперсией „ в измеряемой спектральной области. Характерной для d является величина Л пм

Например, к для серебра при длине волны

1,5 мкм,„ К,„, = 10, при этом, если в качестве первого диэлектрического слоя выбрать стекло с показателем преломления и, = 1,400, то для того, чтобы показатель преломления поверхностной плазменной волны совпадал с показателем преломления 0-й TN-моды трехслойного диэлектрического волновода при частоте света и>, параметры второго диэлектрического слоя должны быть следующие: „= 1,415 и Э„= 5 мкм.

Соответствующие рассчетные спектры величины a(w) и (wl p-""(w) при

3)) 8 мкм Р()=. 10 ) показаны на фиг. 2. Поскольку между n„ и существует прямая пропорциональная зависимость, предложенный способ определения .п при малых „ выгодно отличается от метода, основанного на измерении отражения и прохождения света для тонких пленок металла, при этом коэффициент отражения света от металла при малых определяется в первую очередь мнимой чаСтью показателя преломления металла.

Ошибка определения действительной . части показателя преломления при ее малых значениях у предложенного способа не превышает нескольких процентов, в то время, как у известных способов ошибка достигает 507 и более.

50

В случае совпадения показателей преломления ТИ-моды трехслойного дв)электрического волновода и поверхностного плазмона в узкой области коэффициент затухания направляемок ТМ-моды четырехслойного металлодиэлектрического волновода м.(M) о имеет следующий вид: (ц) =» Р(«)), (5) (О-LO ) + Д" где ), — постоянная величина, а между h и " существует ирямая пропорциональная зависимость, представленная формулой (2). Остальные величины, входящие в формулу (2), можно определить с высокой точностью.

Таким образом, действительная часть показателя преломления может быть определена по измеренной полуширине функции м. (ы) р (и ) . Для этого световой пучок определенной интенсивности ) (ы) от перестраиваемо869 4 го источника 1 направляют на призму 2, с помощью которой возбуждают

ТМ вЂ мо металло-диэлектрического волновода 3, с помощью призмы 4 выводят свет из волновода и измеряют интенсивность вышедшего пучка -)(м) на регистрирующем устройстве 5. Затем рассчитывают значение функции

Ж(о. I р (Ы) при заданной w по формуле

<(w) Р (>)= — — p (w), 1(ы!

) 3(1

$ 1 151860 6

ПиФам

3((сд},си вы)/яц

2 10"

0,2 а,1

-2 -1 О 7

Фиг.Г

Таким образом, по сравнению с известными способами предлагаемый способ измерения действительных .частей показателей преломления металла позволяет определить действительную 5 часть показателя преломления металла с более высокой точностью в той спектЪ

ВН КИПИ Заказ 2313/33

Тираж 897 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ральной области, где она мала, т.е меньше одной десятой мнимой части показателя преломления, кроме того, отсутствует необходимость применения дорогостоящей и сложной в эксплуатации аппаратуры сверхвысокого ва- куума.