Способ оптических измерений для материала



Способ оптических измерений для материала
Способ оптических измерений для материала
Способ оптических измерений для материала
Способ оптических измерений для материала
Способ оптических измерений для материала

 


Владельцы патента RU 2423684:

Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) (RU)

Изобретение относится к модуляционным способам спектральных измерений, в частности оптических постоянных, и предназначено для определения параметров поверхности и слоев тонких пленок, например, полупроводниковых гетероструктур. Посредством модуляционной спектроскопии с использованием р-компоненты линейно поляризованного излучения измеряют спектры угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения. Модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец осуществляют с амплитудой от 0,2 до 2 градусов, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Частота модуляции от 5 до 200 Гц обеспечивает достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2. Изобретение обеспечивает повышение точности измеряемых характеристик, что обеспечивает, в свою очередь, точность сведений о свойствах материала. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам оптико-физических измерений, в частности, к модуляционным способам спектральных измерений с использованием поляризованного излучения, и может найти применение в качестве неразрушающего метода исследования оптических свойств материалов: параметров поверхности и слоев тонких пленок.

Оптические устройства, выполненные на основе полупроводниковых гетероструктур, функционирующих на базе квантово-размерных эффектов, находят широкое применение в лазерной технике, оптоэлектронике. Указанные гетероструктуры продолжают оставаться объектами научных исследований. Оптические свойства их обусловлены взаимодействием электромагнитного поля с электронами, находящимися в тонких, 1÷10 нм, слоях, называемых квантовыми ямами (КЯ), расположенных между более толстыми барьерными слоями, или в слоях, содержащих массивы квантовых точек или проволок.

Проектирование оптических устройств на основе гетероструктур, содержащих, например, квантовые ямы требует знания спектральных зависимостей оптических параметров: nw(λ) - показателя преломления и kw(λ) - коэффициента экстинкции. Традиционные методы определения nw(λ) и kw(λ) базируются на измерении пропускания структур, состоящих из множества квантовых ям (от 10 до 50), расположенных на подложках. Этот способ применим только в случае прозрачных в требуемой спектральной области подложек. В случае, когда рабочий диапазон спектра превышает край поглощения в подложке (толщина 0,3÷0,4 мм), получение спектральных зависимостей указанных параметров становится невозможным. В отдельных случаях практикуется утонение или даже удаление подложки после формирования на ней гетероструктуры, однако проведение такой операции может привести к изменению указанных спектров, например, из-за изменения внутренних механических напряжений в структуре.

Другими методами исследования приведенных гетероструктур являются, например, возбуждение лазерным излучением с длиной волны λ<λКЯ фотолюминесценции, регистрируемой фотодетектором, и методы модуляционной спектроскопии. Однако результаты наблюдения спектров фотолюминесценции дают лишь качественную информацию о наличии КЯ, а методы модуляционной спектроскопии предназначены для уточнения положения в спектрах характерных особенностей. Определение оптических параметров гетероструктур возможно посредством эллипсометрии, хотя данному методу также присущи свои недостатки.

Известен способ оптических измерений для материала (А.В.Ржанов, К.К.Свиташев. Эллипсометрические методы исследования поверхности и тонких пленок. В сб.: Эллипсометрия - метод исследования поверхности/Отв. ред. А.В.Ржанов, издательство «Наука», г.Новосибирск, 1983 г., 180 с.), заключающийся в том, что на исследуемый образец направляют монохроматическое излучение с соблюдением его наклонного падения под фиксированным углом, регистрируют отраженное, со сменой поляризации, от исследуемого образца под фиксированным углом излучение, определяют Δ и Ψ, так называемые поляризационные углы. Причем Δ≡δрs, tgΨ≡rр/rs; где δр и δs - фазовые сдвиги, имеющие место при отражении; rр и rs - характеризуют изменения модулей комплексных амплитуд s- и р-компонент светового пучка, причем под s-компонентой светового пучка подразумевают ту его компоненту, электрический вектор которой ориентирован перпендикулярно плоскости падения, в р-компоненте этот вектор ориентирован параллельно плоскости падения.

Сравнивают расчетные и экспериментальные значения поляризационных углов, в результате определяют оптические постоянные и, следовательно, свойства материала.

К причинам, препятствующим достижению технического результата относится следующее. Требуется осуществлять сканирование по длине волны падающего на образец светового излучения с последующим проведением всей указанной процедуры. Однако, если и осуществлять указанное сканирование, достижению точного определения измеряемых характеристик препятствует слабое, порядка 10-4, изменение rр/rs.

Ближайшим техническим решением является способ оптических измерений для материала (R.R.L.Zucca, Y.R.Shen, Wavelength modulation Spectra of Some Semiconductors, Phys. Rev. B, v.1, N.6, (1970), p.p.2668-2676), заключающийся в том, что посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектры коэффициента отражения, регистрируя изменения оптических спектров, вызванные модуляцией параметра эксперимента, в частности, длины волны падающего излучения.

Из результатов измерений определяют положения центров спектральных особенностей, зонную структуру и, следовательно, свойства материала.

Указанным способом получены сведения о зонной структуре материалов: GaAs, GaSb, InAs, InSb, Ge, Si.

К причинам, препятствующим достижению технического результата, относится то, что регистрируемый сигнал существенно зависит от вида и амплитуды модуляции.

Методы модуляционной спектроскопии, в общем случае, базирующиеся на регистрации изменений в оптических спектрах, вызванных модуляцией параметров эксперимента таких, как температура, электрическое поле, давление, длина волны падающего света, позволяют с высокой точностью определять только положения центров спектральных особенностей.

В известном способе модуляционная спектроскопия эффективна только в небольших окрестностях, так называемых особых точках. Способ позволяет с высокой точностью определить положение центров спектральных особенностей. Высокая точность определения положения центров спектральных особенностей достигается за счет применения фазочувствительного детектирования сигнала отражения при небольших амплитудах модуляции длины световой волны. Однако, в связи с тем, что регистрируемый сигнал существенно зависит от вида и амплитуды модуляции, определение из данных измерений точных значений каких-либо оптических постоянных весьма затруднительно.

Более того, при реализации известного способа существует целый ряд технических трудностей. При измерении отражения обычно в эксперименте измеряемой величиной является интенсивность отраженного света I=I0R, где I0 - интенсивность падающего светового излучения; R - коэффициент отражения. Для получения структуры спектра отражения необходимо вычислить производную. При этом в качестве функции выступает интенсивность сраженного света I=I0R, а в качестве аргумента длина волны λ. Производная имеет вид:

dI/dλ=I0 dR/dλ+R dI0/dλ.

Из приведенной формулы видно, что при измерении получают не только структуру спектра отражения (первый член), но и структуру спектрального распределения падающего излучения (второй член). Как правило, чувствительности экспериментального оборудования достаточно, чтобы малые изменения в I0 могли проявиться в виде ложных максимумов - dI0/dλ, подлежащих исключению. Для последнего требуются специальные меры, осуществление которых приводит к значительному усложнению установки для реализации известного способа.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измеряемых характеристик.

Технический результат достигается в способе оптических изменений для материала, заключающемся в том, что посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектры, причем измеряют спектр угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, и спектр угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения, при этом осуществляют модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения.

В способе оптических измерений выбором частоты модуляции f обеспечивают достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2.

В способе оптических измерений при измерении спектров углов используют линейно поляризованное излучение, его р-компоненту.

В способе оптических измерений для модуляции угла падения излучения на исследуемый образец с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, амплитуду выбирают от 0,2 до 2 градусов.

В способе оптических измерений при выборе частоты модуляции f, обеспечивающей достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2, используют значения от 5 до 200 Гц.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами. На Фиг.1 представлена установка оптических измерений для материалов, результаты которых используют для определения, в частности, спектральных зависимостей оптических постоянных - показателя преломления и экстинции; где 1 - источник света, 2 - монохроматор, 3 - коллимирующая линза, 4 - диафрагма, 5 - поляризатор (призма Глана-Томсона), 6 - исследуемый образец, 7 - модулятор угла падения излучения, 8 - поворотный столик, 9 - зеркало, 10 - фокусирующая линза, 11 - фотоприемник, 12 - синхронный детектор. На Фиг.2 представлена зависимость коэффициента отражения R для р-компоненты от угла падения θ светового излучения и показаны характеристические углы θ1 и θ2, для которых измеряют спектральные зависимости, осуществляя их модуляцию. На Фиг.3 представлены измеренные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 от длины волны падающего излучения на исследуемый образец In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащий чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 нм (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры); ориентировочная область поглощения вблизи λ=1 мкм. На Фиг.4 представлены измеренные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 от длины волны падающего излучения на исследуемый образец Al0,38Ga0,62As/GaAs, содержащий чередующиеся слои GaAs толщиной 3 нм (20 квантовых ям) и Al0,38Ga0,62As толщиной 15 нм (барьеры); ориентировочная область поглощения вблизи λ=0,78 мкм. На Фиг.5 приведены полученные спектры оптических постоянных nw - показателя преломления и kw - коэффициента экстинкции для исследуемого образца In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащего чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 нм (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры).

Реализацию способа оптических измерений посредством модуляционной спектроскопии осуществляют на установке (см. Фиг.1), собранной в составе источника света (1), монохроматора (2), коллимирующей линзы (3), диафрагмы (4), поляризатора (призмы Глана-Томсона) (5), исследуемого образца (6), модулятора угла падения излучения (7), поворотного столика (8), зеркала (9), фокусирующей линзы (10), фотоприемника (11), синхронного детектора (12). Излучение от источника света (1), в качестве которого используют галогеновую лампу, при помощи сферического зеркала поступает в монохроматор (2). Выходящее из монохроматора (2) расходящееся световое излучение коллимирующая линза (3) преобразует в параллельное. Далее диафрагма (4) из поступающего на нее параллельного излучения вырезает небольшую часть, формируя узкий квазипараллельный световой луч, который подают на призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную, р-компоненту излучения. После поляризатора (5) (призмы Глава-Томсона) линейно поляризованное излучение направляют на исследуемый образец (6). Модуляцию угла падающего на исследуемый образец (6) излучения осуществляют посредством модулятора угла падения излучения (7), в качестве которого используют соленоид с сердечником - постоянным магнитом. Колебания магнита в соленоиде с переменным током модулируют угол падения излучения. Исследуемый образец (6) установлен на поворотном столике (8), при вращении которого производят определение угла падения линейно поляризованного излучения на исследуемый образец (6) при измерении спектров (настройка на углы θ1 и θ2). Поворотный столик (8) снабжен зеркалом (9). При этом ось вращения поворотного столика (8) совпадает с пересечением плоскостей исследуемого образца (6) и зеркала (9). Исследуемый образец (6) и зеркало (9) расположены под углом друг к другу так, что отражение падающего на поверхность образца (6) излучения происходит на поверхность зеркала (9), и жестко связаны друг с другом, при этом ось вращения поворотного столика (8) является осью, вокруг которой они совершают вращательное движение. В свою очередь, зеркало (9) связано с модулятором угла падения излучения (7). За счет указанной связи осуществляют модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6), колебания магнита в соленоиде вызывают вращательное движение колебательного характера жестко связанных исследуемого образца (6) и зеркала (9). Отраженное исследуемым образцом (6) и зеркалом (9) световое излучение направляют к фокусирующей линзе (10), осуществляют фокусирование и, далее, сфокусированное отраженное световое излучение подают на фотоприемник (11). При этом, как видно из описываемой установки, положение луча, направляемого на фотоприемник (11), в пространстве остается неизменным. Сигнал, вырабатываемый фотоприемником (11), направляют на вход синхронного детектора (12) для регистрации.

Достижение технического результата базируется на переходе от измерений оптических характеристик, например, коэффициента отражения, как в приведенном ближайшем техническом решении, в отношении которых регистрируемый сигнал существенно зависит от вида и амплитуды модуляции, к измерениям характеристик, для которых отсутствует зависимость регистрируемого сигнала от параметров модуляции. В качестве измеряемых модуляционной спектроскопией характеристик выбирают углы: θ1 - угол, соответствующий минимуму зависимости коэффициента отражения р-компоненты от угла падения (аналог угла Брюстера), и θ2 - угол, соответствующий точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения R(θ) (см. Фиг.2), θ21. Принципиальная особенность предлагаемого способа заключается в том, что измерение углов может быть осуществлено с очень высокой точностью - до 0,001°. Высокая точность измерения характеристических углов θ1 и θ2 обеспечивается за счет введения модуляции угла падения излучения на исследуемый образец (6) при неизменности направления отраженного светового излучения, подаваемого на фотоприемник (11).

При измерениях угол θ1 определяют посредством настройки лимба поворотного столика (8) с исследуемым образцом (6) на нуль сигнала первой гармоники фазочувствительного усилителя синхронного детектора (12). При измерениях угол θ2 соответствует настройке на нуль сигнала второй гармоники. Измерение θ1 проводят для каждого значения длины волны λ при настройке синхронным детектором (12) сигнала с фотоприемника (11) на нуль на частоте модуляции - f. Угол θ2 измеряют либо при настройке синхронным детектором (12) на нуль сигнала с фотоприемника (11) на частоте, равной удвоенной частоте модуляции - 2f, либо при настройке синхронным детектором (12) на максимум сигнала с фотоприемника (11) на частоте, равной частоте модуляции - f. При фиксированной амплитуде модуляции угла падения, равной 1°, сигналы первой и второй гармоник существенно отличаются: Sf≈2,3·10-3SR=1 и S2f≈5,9·10-5SR=1, соответственно.

Поскольку сигналы с фотоприемника (11) не измеряются, то для реализации предлагаемого способа нет необходимости поддерживать стабильность мощности излучения источника света (1) или компенсировать ее «уходы», а также контролировать наличие линейности характеристики фотоприемника (11).

Таким образом, для достижения технического результата модуляцию параметров эксперимента осуществляют в отношении угла падения световой волны на исследуемый образец, а не в отношении положения длины волны в спектре; измеряют не значения сигналов отражения от исследуемой поверхности, регистрируемых фотоприемным устройством, а углы падения, соответствующие характерным точкам угловой зависимости коэффициента отражения R(θ) (см. Фиг.2).

Подчеркнем, что в отношении приведенного первого аналога, в эллипсометрии проводят измерения при различных фиксированных углах падения излучения на исследуемый образец, однако собственно измерение характеристических углов θ1 и θ2 не осуществляют.

Для достижения технического результата особое значение имеет выбор параметра модуляции угла падения излучения на исследуемый образец (6), а именно выбор амплитуды модуляции. Для реализации назначения способа, то есть наличия возможности измерить характеристические углы θ1 и θ2, важен выбор частоты модуляции f. Выбор амплитуды связан с удовлетворением условия отсутствия искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения от угла падения излучения R(θ) (см. Фиг.2). Модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6) осуществляют с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Частоту модуляции выбирают обеспечивающей достаточно высокое отношение сигнал/шум при отсутствии искажений θ1 и θ2 или пренебрежимо малом влиянии нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Другими словами, выбор частоты модуляции f должен обеспечить выделение из шума полезного сигнала, в противном случае измерение характеристических углов будет не состоявшимся в связи с искажениями шумом измеряемых углов.

В количественном выражении частота модуляции f может составлять от 5 до 200 Гц. Частота модуляции f, выбранная в указанном интервале, обеспечивает отсутствие искажений шумом измеряемых углов из-за нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения при достаточно высоком значении отношения сигнал/шум, равном 5 и более. Нижний предел указанного интервала соответствует значению первых частот механических резонансов, порядка 5÷6,5 Гц и порядка 10 Гц. Верхний предел 200 Гц определяется коэффициентом жесткости связи с модулятором (7), в нашем случае (см. Фиг.1) соленоидом с размещенным внутри постоянным магнитом, моментом инерции колеблющегося объекта, то есть жестко связанных друг с другом исследуемого образца (6) и зеркала (9) на подвеске, а также усилием, развиваемым модулятором (7). При этом амплитуда колебаний угла падения излучения на исследуемый образец (6) должна оставаться достаточно высокой. В установке (см. Фиг.1), которую, в частности, используют для реализации предлагаемого способа оптических измерений для материалов, модулятор угла падения излучения (7) выполнен принципиально механическим, в связи с этим не предоставляется возможности реализовать повышение частот модуляции существенно выше 200 Гц.

Значения амплитуды модуляции угла падения, составляющие от 0,2 до 0,3 градуса, при частоте модуляции 20 Гц достаточной, чтобы обеспечить необходимое для проведения измерений отношение сигнал/шум, составляющее 5 и более, дают возможность пренебрежения искажениями, связанными с нелинейностью R(θ). Принципиально величина амплитуды модуляции угла падения излучения на исследуемый образец (6) без внесения негативного вклада влияния нелинейностей на зависимость коэффициента отражения от угла падения излучения R(θ) (см. Фиг.2) может быть увеличена до величин порядка 2°.

Последовательность действий при измерении углов для получения спектров θ1 и θ2 заключается в следующем (см. Фиг.1).

Фиксируют длину волны светового излучения, выходящего из монохроматора (2), проходящего коллимирующую линзу (3), диафрагму (4), призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную р-компоненту излучения для подачи его на исследуемый образец (6). Далее, для определения углов θ1 и θ2 при данной длине волны излучения выставляют исследуемый образец (6) таким образом, чтобы его поверхность располагалась перпендикулярно относительно направления излучения (установка нормали). После выставления нормали настраивают синхронный детектор (12) на прием сигнала первой гармоники, вращая поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала и получают значение θ1, отсчитывая по шкале калибровки. Для получения значения θ2 вращают поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала второй гармоники или осуществляют выход на максимум сигнала первой гармоники, отсчитывают по шкале калибровки значение угла. Процедуру повторяют для следующей длины волны светового излучения. Экспериментальные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 для полупроводниковых гетероструктур с КЯ представлены на Фиг.3 и 4.

Повышение точности измеряемых характеристик обеспечивает, в свою очередь, достижение точного определения, в частности, спектральных зависимостей оптических постоянных, характеризующих свойства материала.

Далее, полученные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 предлагаемым способом (см. Фиг.3 и 4) используют для вычисления спектральных зависимостей оптических постоянных, характеризующих свойства материала, в частности, гетероструктур с КЯ. Расчет значений θ1 и θ2 существенным образом зависит от предполагаемого распределения nw(λ) и kw(λ) в гетероструктуре. Предполагая для простейшей модели, что неизвестными величинами являются nw(λ) и kw(λ), соответственно, показатели преломления и экстинции материалов квантовых ям, причем распределение их равномерно по толщине квантовых ям, а для барьеров, используя их справочные значения, численно рассчитывают значения θ1(nw(λ), kw(λ)) и θ2(nw(λ), kw(λ)). Для каждой длины волны имеем систему уравнений:

θ1(nw, kw)=θ01

θ2(nw, kw)=θ02,

где θ01 и θ02 - экспериментально полученные значения. Численное решение вышеприведенной системы уравнений позволяет найти nw и kw. Результаты расчета для структуры In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащей чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 нм (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры), с ориентировочной областью поглощения вблизи λ=1 мкм приведены на Фиг.5. Предлагаемый способ оптических измерений для определения свойств материала позволяет использовать для расчетов и более сложную модель.

В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа с достижением указанного технического результата, приводим нижеследующие примеры реализации.

Пример 1.

Структуру In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащую чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 нм (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры), с ориентировочной областью поглощения вблизи λ=1 мкм - исследуемый образец (6) устанавливают на поворотный столик (8) (см. Фиг.1). Посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектр угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, и спектр угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения, в спектральной области λ от 0,75 до 1,10 мкм. При измерении спектров углов используют линейно поляризованное излучение, его р-компоненту. Излучение от источника света (1) подают в монохроматор (2). Фиксируют длину волны указанной спектральной области. Выходящее из монохроматора (2) расходящееся световое излучение фиксированной длины волны посредством коллимирующей линзы (3) преобразуют в параллельное и, далее, диафрагмой (4) вырезает небольшую часть, формируя узкий квазипараллельный световой луч, который подают на призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную р-компоненту излучения фиксированной длины волны.

Излучение направляют на исследуемый образец (6). Для определения углов θ1 и θ2 при фиксированной длине волны излучения выставляют исследуемый образец (6) таким образом, чтобы его поверхность располагалась перпендикулярно относительно направления излучения. Модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6) осуществляют посредством модулятора угла падения излучения (7) с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Выбором частоты модуляции f при этом обеспечивают достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2. Амплитуду выбирают 0,2 градуса, а частоту - 5 Гц. В качестве модулятора угла падения излучения (7) используют соленоид с постоянным магнитом. Колебания магнита в соленоиде с переменным током модулируют угол падения излучения, вызывая совершение вращательных движений при модуляции угла жестко связанных друг с другом исследуемого образца (6) и зеркала (9). Луч, направляемый на фотоприемник (11), при модуляции угла и поворотах столика (8) сохраняет свое положение в пpocтранстве.

Отраженное исследуемым образцом (6) световое излучение, сфокусированное фокусирующей линзой (10), подают на фотоприемник (11). Сигнал, вырабатываемый фотоприемником (11), направляют на вход синхронного детектора (12) для регистрации.

После выставления нормали исследуемого образца (6) настраивают синхронный детектор (12) на прием сигнала первой гармоники, вращая поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла. Осуществляют выход на «0» сигнала и получают значение θ1, отсчитывая его по шкале калибровки.

Для получения значения θ2 вращают поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала второй гармоники, отсчитывают по шкале калибровки значение угла. Процедуру повторяют для следующей длины волны светового излучения.

Экспериментальные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 для указанного исследуемого образца (6) представлены на Фиг.3.

Пример 2.

Структуру Al0,38Ga0,62As/GaAs, содержащую чередующиеся слои GaAs толщиной 3 нм (20 квантовых ям) и Al0,38Ga0,62As толщиной 15 нм (барьеры) с ориентировочной областью поглощения вблизи λ=0,78 мкм - исследуемый образец (6) устанавливают на поворотный столик (8) (см. Фиг.1). Посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектр угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, и спектр угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения, в спектральной области λ от 0,6 до 0,95 мкм. При измерении спектров углов используют линейно поляризованное излучение, его р-компоненту. Излучение от источника света (1) подают в монохроматор (2). Фиксируют длину волны указанной спектральной области. Выходящее из монохроматора (2) расходящееся световое излучение фиксированной длины волны посредством коллимирующей линзы (3) преобразуют в параллельное и, далее, диафрагмой (4) вырезает небольшую часть, формируя узкий квазипараллельный световой луч, который подают на призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную р-компоненту излучения фиксированной длины волны.

Излучение направляют на исследуемый образец (6). Для определения углов θ1 и θ2 при фиксированной длине волны излучения выставляют исследуемый образец (6) таким образом, чтобы его поверхность располагалась перпендикулярно относительно направления излучения. Модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6) осуществляют посредством модулятора угла падения излучения (7) с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Выбором частоты модуляции f при этом обеспечивают достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2. Амплитуду выбирают 0,3 градуса, а частоту - 20 Гц. В качестве модулятора угла падения излучения (7) используют соленоид с постоянным магнитом. Колебания магнита в соленоиде с переменным током модулируют угол падения излучения, вызывая совершение вращательных движений при модуляции угла жестко связанных друг с другом исследуемого образца (6) и зеркала (9). Луч, направляемый на фотоприемник (11), при модуляции угла и поворотах столика (8) сохраняет свое положение в пространстве.

Отраженное исследуемым образцом (6) световое излучение, сфокусированное фокусирующей линзой (10), подают на фотоприемник (11). Сигнал, вырабатываемый фотоприемником (11), направляют на вход синхронного детектора (12).

После выставления нормали исследуемого образца (6) настраивают синхронный детектор (12) на прием сигнала первой гармоники, вращая поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла. Осуществляют выход на «0» сигнала и получают значение θ1, отсчитывая его по шкале калибровки.

Для получения значения θ2 вращают поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала второй гармоники, отсчитывают по шкале калибровки значение угла. Процедуру повторяют для следующей длины волны светового излучения.

Экспериментальные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 для указанного исследуемого образца (6) представлены на Фиг.4.

Пример 3

Структуру In0,25Ga0,75As/GaAs, содержащую чередующиеся слои In0,25Ga0,75As толщиной 8,7 ни (10 квантовых ям) и GaAs толщиной 15 нм (барьеры), с ориентировочной областью поглощения вблизи λ=1 мкм - исследуемый образец (6) устанавливают на поворотный столик (8) (см. Фиг.1). Посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектр угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, и спектр угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения, в спектральной области λ от 0,75 до 1,10 мкм. При измерении спектров углов используют линейно поляризованное излучение, его р-компоненту. Излучение от источника света (1) подают в монохроматор (2). Фиксируют длину волны указанной спектральной области. Выходящее из монохроматора (2) расходящееся световое излучение фиксированной длины волны посредством коллимирующей линзы (3) преобразуют в параллельное и, далее, диафрагмой (4) вырезает небольшую часть, формируя узкий квазипараллельный световой луч, который подают на призму Глана-Томсона (5), выделяющую из неполяризованного светового излучения линейно поляризованную р-компоненту излучения фиксированной длины волны.

Излучение направляют на исследуемый образец (6). Для определения углов θ1 и θ2 при фиксированной длине волны излучения выставляют исследуемый образец (6) таким образом, чтобы его поверхность располагалась перпендикулярно относительно направления излучения. Модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец (6) осуществляют посредством модулятора угла падения излучения (7) с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения. Выбором частоты модуляции f при этом обеспечивают достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2. Амплитуду выбирают 2 градуса, а частоту - 200 Гц. В качестве модулятора угла падения излучения (7) используют соленоид с постоянным магнитом. Колебания магнита в соленоиде с переменным током модулируют угол падения излучения, вызывая совершение вращательных движений при модуляции угла жестко связанных друг с другом исследуемого образца (6) и зеркала (9). Луч, направляемый на фотоприемник (11), при модуляции угла и поворотах столика (8) сохраняет свое положение в пpocтранстве.

Отраженное исследуемым образцом (6) световое излучение, сфокусированное фокусирующей линзой (10), подают на фотоприемник (11). Сигнал, вырабатываемый фотоприемником (11), направляют на вход синхронного детектора (12) для регистрации.

После выставления нормали исследуемого образца (6) настраивают синхронный детектор (12) на прием сигнала первой гармоники, вращая поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла. Осуществляют выход на «0» сигнала и получают значение θ1, отсчитывая его по шкале калибровки.

Для получении значения θ2 вращают поворотный столик (8) посредством микровинта со шкалой калибровки для определения угла, осуществляют выход на «0» сигнала второй гармоники, отсчитывают по шкале калибровки значение угла. Процедуру повторяют для следующей длины волны светового излучения.

Экспериментальные спектральные зависимости характеристических углов θ1 и θ2 для указанного исследуемого образца (6) аналогичны представленным на Фиг.3.

1. Способ оптических измерений для материала, заключающийся в том, что посредством модуляционной спектроскопии измеряют спектры, отличающийся тем, что измеряют спектр угла θ1, соответствующего минимуму зависимости коэффициента отражения светового излучения от угла падения, и спектр угла θ2, соответствующего точке перегиба угловой зависимости коэффициента отражения, при этом осуществляют модуляцию угла падения излучения на исследуемый образец с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, или пренебрежимо малое влияние нелинейности угловой зависимости коэффициента отражения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбором частоты модуляции f обеспечивают достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при измерении спектров углов используют линейно поляризованное излучение, его р-компоненту.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для модуляции угла падения излучения на исследуемый образец с амплитудой, обеспечивающей отсутствие искажений θ1 и θ2, связанных с нелинейностью угловой зависимости коэффициента отражения, амплитуду выбирают от 0,2 до 2°.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что при выборе частоты модуляции f, обеспечивающей достаточно высокое отношение сигнал/шум для выделения из шума полезного сигнала, необходимого для измерения характеристических углов при отсутствии искажений θ1 и θ2, используют значения от 5 до 200 Гц.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к спектрофотометрии и может быть использовано для исследования пространственного распределения комплексного показателя преломления по поверхности сильно поглощающих материалов.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к, микроэлектронным датчикам - химическим и биосенсорам, предназначенным для одновременных акустических на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) и оптических исследований физико-химических и (или) медико-биологических свойств тонких порядка 0.1 мкм (100 нм) и менее нанопленок.

Изобретение относится к области передачи и получения информации посредством поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) терагерцового (ТГц) диапазона (частота от 0,1 до 10 ТГц) и может найти применение в спектроскопии поверхности твердого тела, в электронно-оптических устройствах передачи и обработки информации, в инфракрасной (ИК) технике.

Изобретение относится к области технической физики, а точнее, к рефрактометрическим приборам, предназначенным для измерения показателя преломления и других связанных с ним параметров твердых и жидких сред.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к способам осуществления массообменных процессов с применением оптоволоконных химических датчиков.

Изобретение относится к технике оптико-физических измерений, а именно к способам определения оптических параметров (показателя преломления, показателя поглощения и толщины) проводящих образцов по значениям характеристик поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) и может быть использовано в металлооптике, при производстве металлодиэлектрических волноведущих структур, металлических зеркал и подложек, а также в других областях науки и техники.

Изобретение относится к технике оптико-физических измерений, а именно к способам и устройствам для определения показателя преломления окружающей среды, находящейся в жидкой или газовой фазе, по изменению характеристик поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ).

Изобретение относится к области оптических измерений и предназначено для регистрации оптического показателя преломления исследуемой среды на границе с оптически прозрачным твердым телом с дополнительной возможностью регистрации толщины адсорбционного слоя на данной границе

Изобретение относится к области технической физики, а точнее к рефрактометрическим приборам, предназначенным для измерения показателя преломления и других, связанных с ним параметров веществ

Изобретение относится к области технической физики, к оптическому приборостроению, а точнее к рефрактометрическим приборам, которые используются для анализа нефтяных фракций и моторных топлив. Способ экспрессной оценки качества моторных топлив состоит в том, что измеряют показатель преломления и дисперсию топлива, по величине дисперсии находят долю ароматических углеводородов в топливе. Показатель преломления и дисперсию измеряют относительно толуола. Долю ароматических углеводородов как функцию средней дисперсии определяют по шкале компенсатора дисперсии Амичи. По доли ароматических углеводородов и показателю преломления с помощью идентификационной карты судят о классе смеси топлива и, в частности, о детонационной стойкости товарных бензинов. В качестве вещества измерительной призмы в устройстве используется толуол, между исследуемым топливом и толуолом установлен клин с большим показателем преломления, толстый край которого расположен со стороны падения света. Устройство содержит также компенсатор дисперсии в виде призмы Амичи и объектив, в фокальной плоскости которого установлено устройство для определения величины смещения изображения границы света и тени. Оправа с призмой Амичи соединена с подвижным кольцом со шкалой в долях ароматических углеводородов. Изобретение позволяет проводить контроль качества топлива без термостатирования кюветы, а также измерять дисперсию. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение предназначено для измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ методом предельного угла. В способе измерения щелевой диафрагмой формируют расходящийся пучок света от нескольких монохроматических источников света различных длин волн, светорассеивателем преобразуют в единый расходящийся пучок света и направляют на многоспектральное матричное фотоприемное устройство (МФПУ). Получают раздельные спектральные видеосигналы, по которым вычисляют показатели преломления и дисперсию анализируемых веществ. Перед измерениями измеряют показатель преломления воздуха, значение которого принимают за начало отсчета. Устройство содержит микропроцессор с дисплеем, который измеряет средние значения длительностей импульсов от строчного импульса до переднего фронта импульсов для каждой длины волны, пропорциональные показателям преломления, и по ним вычисляет дисперсию вещества. Изобретение позволяет повысить точность измерений, ускорить и автоматизировать процесс измерения, а также упростить конструкцию устройства. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технической физике, к области оптического приборостроения, а точнее к рефрактометрическим приборам, предназначенным для измерения показателя преломления и дисперсии различных веществ. В способе на входную грань измерительной призмы рефрактометра направляют квазимонохроматический пучок света рабочей длины волны λD, в фокальной плоскости объектива определяют координату положения границы света и тени XD, находят конструктивные коэффициенты A и B, меняют длину волны света с λD на λ1, которая существенно отличается от λD по смещению границы света и тени ΔXDλ, определяют общую угловую дисперсию, а затем находят искомую среднюю дисперсию. Устройство содержит стакан-осветитель, измерительную призму с известным показателем преломления nDo и средней дисперсией (ΔFC)о, основной источник квазимонохроматического света с длиной волны λD и вспомогательный с длиной волны λ1, которые подключены к источнику питания последовательно через переключающее устройство. Стакан-осветитель содержит датчик температуры, подключенный к терморегулятору, между стаканом-осветителем и металлическим основанием-радиатором установлен элемент Пельтье, который подключен к источнику постоянного тока через контакт переключающего реле терморегулятора так, что через нормально закрытые контакты реле на элемент Пельтье подается, например, потенциал «минус» и стакан-осветитель охлаждается, а после срабатывания реле - потенциал «плюс» для нагревания. Изобретение позволяет упростить конструкцию устройства и процесс выполнения измерений. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ с использованием явления полного внутреннего отражения (метод предельного угла). Сущность способа состоит в том, что весь диапазон измерений показателя преломления с помощью многощелевой диафрагмы с индивидуальной подсветкой каждой щели разбивают на ряд поддиапазонов, в том числе на поддиапазон измерения показателя преломления воздуха. Перед измерениями других веществ измеряют показатель преломления воздуха, значение которого принимают за начало отсчета. Устройство содержит микропроцессор с дисплеем, который измеряет среднее значение длительностей импульсов от строчного импульса до переднего фронта импульсов в каждой строке, вычисляет отношение этого среднего значения к строчному периоду. Полученное отношение за вычетом отношения, полученного для воздуха пропорционален коэффициенту преломления исследуемого вещества. Изобретение позволяет расширить диапазон и повысить точность измерений показателя преломления. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх