Установка для изучения состояния поляризации отражённого от прозрачных диэлектриков света

Установка для изучения состояния поляризации отражённого от прозрачных диэлектриков света

Учреждение образования

«Брестский Государственный университет имени А.С. Пушкина»

Кафедра общей физики

КУРСОВАЯ РАБОТА

УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОТРАЖЁННОГО ОТ ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ СВЕТА

Брест 2012

Содержание

Введение

Задачи и описание метода

Способы получения и анализа поляризованного света

Установка, пояснение и схематическое изображение

Реализация метода на практике

Описание хода работы

Практическая часть работы

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время весьма актуален вопрос исследования свойств поверхностей тонких пленок, которые имеют достаточно большую перспективу использования в устройствах наноэлектроники. Однако, измерение параметров пленок нанометровых толщин имеет свою специфику. В частности, при получении наноструктур в условиях сверхвысокого вакуума, встает проблема контроля их свойств непосредственно в процессе изготовления - исследование таких структур на воздухе зачастую невозможно, в связи с высокой химической активностью многих материалов, используемых в данной области. Здесь большое преимущество имеют оптические методы, т.к. не оказывают влияния на исследуемый образец и имеют определенную гибкость при использовании непосредственно в сверхвысоковакуумной камере. В частности, известен метод эллипсометрии, основанный на анализе изменения поляризации света при отражении от исследуемого образца. Известен также метод магнитооптического эффекта Керра (МОКЕ). У обоих методов схожи оптические схемы измерений, а по набору измеряемых параметров они взаимно дополняют друг друга. Метод эллипсометрии используется для измерения оптических постоянных преломления и поглощения материала, а также для измерения толщин тонких пленок. Метод МОКЕ применяется для изучения магнитных свойств материала. Оба метода являются неразрушающими, не изменяющими свойства материала и обладающие достаточной чувствительностью.

Оптика изучает свет - один из мощнейших инструментов познания мира. Однако для использования этого инструмента необходимо знать как получить необходимые данные и правильно их интерпретировать. Большую часть информации о мире человек получает с помощью света. Но он получает её не напрямую, а через те параметры которые приобретает и изменяет свет при взаимодействии с микро- и макрообъектами. Причём это могут быть не только макрохарактеристики объектов (цвет, размеры и т.д.), но и строение молекул, кристаллов, процессы, которые протекают в них.

Одним из методов получения такой информации является эллипсометрия - высокочувствительный и точный поляризационно-оптический метод исследования поверхностей и границ раздела различных сред (твердых, жидких, газообразных), основанный на изучении изменения состояния поляризации света после взаимодействия его с поверхностью границ раздела этих сред.

Для получения данных с помощью вышеупомянутого метода сущеcтвуют специальные установки - эллипсометры. На рисунке 1 представлен один из таких приборов.

Рис. 1

поляризованный свет эллипсометрия диэлектрик

Задачи и описание метода

Основной задачей является описание установки для получения информации об отражённом свете. Далее рассмотрим метод эллипсометрии. Перечислим ряд существенных достоинств данного метода.

Прежде всего - это его универсальность. Оптические константы (показатели преломления и поглощения), которые и определяют результат измерений данным методом, являются фундаментальными характеристиками вещества. Практически любое внешнее воздействие приводит к изменению оптических параметров объекта. Поэтому с помощью метода эллипсометрии можно характеризовать широкий спектр физических параметров (качество границ раздела, структурное совершенство материала, регистрировать изменения образца обусловленные различными внешними воздействиями и многое другое). Эллипсометрические измерения имеют высокую чувствительность ( порядка 10^-3 по отношению к измерению показателя преломлния).

Следующим важным свойством является неразрушающее воздействие измерений. Энергия фотонов на 3-4 порядка ниже чем энергия электронов. Поэтому их воздействие на исследуемый образец пренебрежимо мало по сравнению с пучком электронов. Глубина на которую свет проникает в вещество составляет приблизительно сотни нанометров. Именно с такой глубины происходит получение необходимой информации. В связи с этим нет необходимости производить удаление слоёв материала, тем самым разрушая его. Необходимо только правильно расшифровать полученную информацию.

Нет необходимости проводить специальную подготовку образца перед получением данных. Необходимо лишь правильно его расположить. Таким образом можно выделить ещё одно достоинство метода - это его экспрессность. Время затраченное на размещение образца и на проведение измерений составляет всего несколько секунд. Также данный метод не сильно требователен к условиям измерений.

Перейдём к рассмотрению основных принципов метода. Суть метода может быть объяснена с помощью следующего рисунка 2.

Рис. 2. Падающий линейно поляризованный свет становится (в общем случае) эллиптически поляризованным.

На исследуемый образец падает плоско поляризованный свет, который после отражения в общем случае становится эллиптически поляризованным.

Параметры эллипса поляризации, т.е. ориентация его осей и эксцентриситет, определяются оптическими свойствами отражающей структуры и углом падения света. В эксперименте измеряется отношение комплексных коэффициентов отражения для двух типов поляризации световой волны: в плоскости падения (p) и перпендикулярно к ней (s). Это отношение принято выражать через эллипсометрические параметры 𝝭 и ∆, которые характеризуют относительное изменение амплитуд для p- и s-поляризаций и сдвиг фаз между ними:

 (*)

Эллипсометрические измерения оказываются более информативными, чем фотометрические, так как одновременно измеряются сразу две величины: амплитудный параметр 𝝭 и фазовый - ∆. Поэтому из уравнения (*) можно определить любые два параметра модели, описывающей коэффициенты отражения R_p и R_s. Последние зависят от оптических свойств исследуемой структуры, а также от угла падения света и длины волны.

Рис. 3

Если на плоскую поверхность исследуемой среды падает линейно поляризованная плоская волна, имеющая электрический вектор E (составляющая Ер лежит в плоскости падения, а перпендикулярная ей - Es), то при зеркальном отражении возникает плоская волна Er с компонентами

 (1)

В результате вектор E_r будет описывать эллипс.

 (2), где a,b- полуоси эллипса (рис. 3). Эти параметры можно связать с параметрами (1) с помощью соотношений:

;

                   (3)

;

.

Значения Rp и Rs определяются углом падения f и оптическими свойствами (коэффициентом преломления n и показателем поглощения 𝞆). Tаким образом, зная f и измеряя a и b, можно определить указанные оптические свойства. (Знак " + " в (2) и (3) соответствует левому вращению, если смотреть навстречу лучу, знак "-" - правому.)

Способы получения и анализа поляризованного света

Существует яркий пример поляризации света в естественных природных условиях - поляризация дневного света неба. Причина этого явления − поляризация при молекулярном рассеянии. Свет, испускаемый Солнцем, не имеет какой-либо определенной плоскости поляризации. Однако, проходя через земную атмосферу, солнечный свет претерпевает рассеяние на ее молекулах и других частицах, имеющих размеры меньше длины волны. Вследствие поперечности световых волн солнечные лучи, рассеянные изотропными молекулами в направлении, нормальном к первоначальному, должны быть линейно поляризованы. В результате каждая точка неба над нами превращается во вторичный источник света, который оказывается уже частично поляризованным. Степень поляризации света голубого неба сильно различается в разных точках небосвода. При этом ось поляризации всегда перпендикулярна плоскости треугольника, в вершинах которого находится наблюдатель, Солнце и наблюдаемая точка неба. Зная оси поляризации для двух точек неба, можно найти направление на Солнце. Очевидно, что направлением на Солнце будет прямая, образованная пересечением двух плоскостей, каждая из которых переходит через наблюдателя и данную точку неба перпендикулярно оси поляризации в этой точке.

По-видимому, таким образом и находят направление на солнце насекомые, глаза которых чувствительны к направлению поляризации света.

Одним из способов получения поляризованного света в лабораторных условиях является пропускание света через устройство, обладающее оптической анизотропией. (Оптически анизотропными называют среды, свойства которых, т.е. показатели преломления и поглощения, не одинаковы для разных направлений распространения световой волны и состояний ее поляризации).

Анизотропными свойствами обладают прежде всего кристаллы всех сингоний, кроме кубической, а также природные и искусственные пленки и волокна, состоящие из длинных упорядоченных макромолекул. Анизотропия кристалла обусловлена строением его решетки. Атомы и молекулы, из которых построен кристалл, расположены в определенном порядке, но этот порядок не обязательно одинаков в разных направлениях. Только в кристаллах самой простой системы − кубической период кристаллической решетки одинаков по всем трем главным осям. Поэтому кубические кристаллы изотропны и, в частности, не обладают линейным двулучепреломлением света.

В кристаллах тетрагональной и гексагональной систем имеется только одно направление, в котором не происходит двойного преломления, одна оптическая ось. В кристаллах ромбической, моноклинной и триклинной систем таких направлений два. Они имеют, таким образом, две оптические оси. Интересно отметить, что при распространении света вдоль биссектрисы угла между осями двухосного кристалла все происходит так, как при распространении света в одноосном кристалле в направлении, перпендикулярном его оптической оси. Это имеет место, например, при нормальном падении света на пластинку слюды.

Оптическая анизотропия в прозрачных изотропных веществах может быть создана искусственно, например, механической деформацией (сжатием, растяжением), с помощью электрического и магнитного полей, ориентацией молекул в потоке жидкости (эффект Максвелла).

При входе света в одноосный кристалл (например, кварца или исландского шпата) световой луч "разделяется" на два: обыкновенный и необыкновенный лучи. Причина этого явления - зависимость показателя преломления (диэлектрической проницаемости) от направления электрического поля .

В обыкновенном луче поле  перпендикулярно оптической оси и волновому вектору  . При этом показатель преломления равен n_о. В необыкновенном луче вектор  лежит в плоскости, образованной оптической осью кристалла и направлением волнового вектора. В отличие от обыкновенного луча, электрическое поле в необыкновенном луче не перпендикулярно волновому вектору  (если угол θ между  и осью кристалла не равен 0, π/2). Волновому вектору  перпендикулярен вектор  , что является следствием уравнения  (для плоской волны). Показатель преломления для необыкновенного луча зависит от угла θ, принимая значения от n_e (при направлении  вдоль оптической оси) до n_о.

Непараллельность  и  приводит к тому, что не совпадают направление луча и волнового вектора. Действительно, направление луча указывает вектор Умова-Пойнтинга и, следовательно, луч перпендикулярен к  и  , а волновой вектор перпендикулярен к  и . Поэтому даже при нормальном падении света на кристалл, если его ось не параллельна (не перпендикулярна) плоскости среза, необыкновенный луч отклоняется от первоначального направления.

В двухосных кристаллах необыкновенными являются оба луча. Среды, которым свойственно двойное преломление света, в той или иной степени обладают и дихроизмом − свойством по разному поглощать ортогонально поляризованные световые лучи. Например, одноосный кристалл турмалина очень сильно поглощает один из лучей − обыкновенный.

После краткого введения в оптику кристаллов мы можем перейти к обсуждению получения поляризованного света с помощью специальных устройств − поляризаторов. В зависимости от типа получаемой поляризации поляризаторы делятся на линейные, циркулярные и эллиптические. Циркулярные и эллиптические поляризаторы, как правило, содержат линейный поляризатор и так называемые фазовые кристаллические пластинки.

Принцип действия линейного поляризатора основан на разделении света с произвольной степенью поляризации на две ортогональные компоненты, одну из которых поляризатор пропускает, а другую − отклоняет или поглощает. Для разделения света на составляющие используется одно из следующих явлений: двойное лучепреломление, отражение или преломление света на границах диэлектриков (эффект Брюстера), дихроизм, а также поляризующие свойства узких щелей и решеток малого периода. Двулучепреломляющие поляризаторы изготавливают в виде кристаллических призм, например, из исландского шпата.

Примером дихроичного поляризатора служит монокристаллическая пластинка турмалина, не нашедшего широкого применения в основном из-за трудностей, связанных с получением кристаллов необходимых размеров.

Более популярной оказалась другая разновидность дихроичных поляризаторов, а именно, анизотропные полимерные пленки, активированные (пропитанные) анизотропными же молекулами или микрокристаллами − так называемые пленочные поляроиды. Если полимерную пленку, состоящую из весьма длинных, линейных вытянутых макромолекул полимера в нагретом и размягченном состоянии подвергнуть механическому растяжению, то полимерные молекулы ориентируются своими длинными осями вдоль направления растяжения и пленка, таким образом, становится анизотропной. Если при этом в полимере растворено вещество, молекулы которого анизотропны по форме и обладают высоким дихроизмом (например, игольчатые микрокристаллы герапатита), то упорядоченная, ориентированная матрица молекул полимера ориентирует и примесные молекулы. Таким путем изготавливаются поляроиды высокого качества и достаточно большого размера.

Эллиптически поляризованный свет можно получить из линейно поляризованного, пропустив его через прозрачную двулучепреломляющую пластинку, которая вырезана из кристалла таким образом, что плоскости среза параллельны оптической оси. Пластинка имеет два взаимно перпендикулярных направления, одно из которых совпадает с оптической осью кристалла. Волны, поляризованные вдоль главных направлений (обыкновенная и необыкновенная волны), распространяются в пластинке без изменения поляризации, но с разными скоростями.

Установка, пояснение и схематическое изображение

Рис. 4. Схема эллипсометрических измерений. Р - поляризатор, S - отражающая поверхность, С - компенсатор (фазосдвигающий элемент), А - анализатор

В основе всех эллипсометрических измерений лежит преобразование поляризации света оптическими линейными элементами - поляризационными призмами и фазосдвигающими устройствами. Суть измерений можно пояснить с помощью схемы на рисунке 4.

Рис. 5. И - источник света (полупроводниковый светодиод; лазер); П - поляризатор; М - модулятор света; К - компенсатор (фазосдвигающий элемент); О - отражающая поверхность; А - анализатор; Ф - фотоэлектрический приёмник света

Монохроматический пучок света (излучаемый источником) проходит через поляризатор (П), после чего становится линейно поляризованным. После отражения от поверхности О свет становится эллиптически поляризованным (в общем случае). Далее параметры эллипса анализируются с помощью компенсатора (К, фазосдвигающей пластинки) и второй поляризационной призмы (А). В некоторых случаях отражённый свет полностью гасится на анализирующих элементах и фотоприёмник регистрирует нулевой сигнал. Таким образом работает нулевой эллипсометр, экспериментально определяя такие положения измеряют эллипсометрические параметры.

Можно разделить световой пучок, отраженный от образца, на отдельные поляризованные компоненты и измерять интенсивность каждой из них. Тогда вообще не потребуется азимутального вращения элементов, и можно добиться высокого быстродействия. Это - статическая фотометрическая схема измерений. Другой класс аппаратуры - лазерные быстродействующие эллипсометры. Эти приборы используются не только в научных исследованиях, но и в высокотехнологичном производстве в качестве инструмента контроля.

Для проведения локальных измерений на поверхности и исследования микрообъектов изготавливается аппаратура, с размером зондирующего пятна несколько микрон.

Реализация метода на практике

Рассмотрим метод эллипсометрии на примере простейшей установки для изучения показателя преломления прозрачных диэлектриков.

Теоретическая часть и описание работы.

Схематически внешний вид установки представлен на рисунке 6.

Рис. 6. 1 - предметный столик; 2 - анализатор (вращающийся поляризатор); 3 - коллиматор; 4 - лимб с нониусом (для измерения углов); 5 - источник монохроматического света; 6 - зрительная труба.

На предметном столике 1 располагается образец, в рассмотренном случае это пластинка из прозрачного диэлектрика. Из источника 5 выходит пучок монохроматического света проходит через коллиматор 3 и попадает на образец. От него отражается уже линейно поляризованный свет и попадает, через зрительную трубу 6, в анализатор 2, которым является вращающийся поляризатор. Поворачиваем лимб 4 на некоторый угол, при этом поворачивая анализатор 2, добиваемся минимального светового пятна на анализаторе.

Описание хода работы

1. Совместить вертикальную нить в поле зрения зрительной трубы [6] с изображением щели коллиматора [3], расположив их на одной прямой. Поставить исследуемую пластинку параллельно световому пучку, выходящему из коллиматора [3]. Небольшим поворотом столика [1] совместить основное и отраженное от пластинки изображения щели. Теперь лучи и плоскость пластинки параллельны. По лимбу и нониусу [4] определите нулевое положение столика [1] j₀.

. Повернуть столик с пластинкой [1] примерно на 10^о (поворачивать удобнее по часовой стрелке). Поворачивая зрительную трубу, совместить отраженное изображение щели с нитью окуляра (для этого зрительную трубу нужно повернуть на угол в 2 раза больший, т.е. » 20^о). Вращая анализатор [2], пронаблюдать изменение интенсивности отраженного от пластинки луча. Установить анализатор на минимум освещенности. В этом случае плоскость пропускания поляроида параллельна плоскости падения луча на пластинку, т.е. мы следим за Р-компонентой отраженного луча.

3. Осторожно поворачивая столик [1] (уменьшая угол падения), следить с помощью зрительной трубы [6] за изображением щели коллиматора [3], совмещая каждый раз его с нитью окуляра. Яркость изображения щели будет уменьшаться и, наконец, почти полностью исчезнет, т.е. при определенном угле падения i_Б в отраженном луче полностью исчезнет E_// -компонента. Этот угол падения и будет углом Брюстера. Уточнить положение поляроида-анализатора, чтобы изображение щели коллиматора было наименее ярким.

. Определив положение столика с пластинкой, когда будет наименее ярким, сделать отсчет угла по лимбу и нониусу [4] j. Таких измерений проделать не менее пяти. Из рисунка 6 видно, что угол, на который мы повернули пластинку по отношению к первоначальному положению Dj = j - j_о есть угол скольжения, а угол падения будет

5. Зная угол Брюстера i_Б, по формуле

подсчитать показатель преломления пластинки относительно воздуха. Оценить погрешность определения показателя преломления.

Практическая часть работы

Табл. 1

В таблице 1 приведены полученные экспериментальные данные. Далее производим необходимые расчёты.

∆i₁=1

∆i₂=2

∆i₃=1

∆i₄=1

∆i₅=0

В ходе работы определили показатель преломления вещества методом Брюстера. Измерили угол Брюстера. Рассчитали относительный показатель преломления прозрачной пластинки.

Заключение

Как было показано в работе в настоящее время актуальным является вопрос о методах контроля материалов в ходе производства. Так же на методы зачастую налагаются ограничения связанные с техническими особенностями приспособлений и методов производства.

Одним из методов удовлетворяющим требованиям является метод эллипсометрии. Он имеет ряд преимуществ перед остальными. Это его экспрессность, неразрушающее воздействие на образец, отсутствие особых требований к условиям проведения исследования. Нет необходимости производить специальные приготовления образца. Высокая точность измерений.

Суть метода элипсометрии заключается в том, что при попадании монохроматического пучка света на образец он приобретает, в общем случае, эллиптическую поляризацию. Параметры эллипса определяются с помощью анализатора. При отражении света от прозрачных диэлектриков он приобретает линейную поляризацию.

Для измерения оптических констант методом элипсометрии используются специальные приборы - эллипсометры. Которые состоят (в самом простом, схематическом изображении) из коллиматора в который попадает монохроматический пучок света, предметного столика на котором располагается исследуемый образец, лимба с нониусом, для определения углов, зрительной трубы с установленным на неё анализатором, которым является вращающийся поляризатор.

Был проведён эксперимент и определён показатель преломления прозрачной диэлектрической пластинки с помощью метода Брюстера. Схематическое изображение установки приведено на рисунке 6. Полученные данные представлены в таблице 1.

Список использованной литературы:

1.      Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс физики, т. III

2.      <http://ru.wikipedia.org/wiki/Эллипсометрия>

3.      Лансберг Г.С. , Оптика. М.: ”Просвещение”, 1977

4.      <http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4737.html>

.        Сивухин Д.В., Общий курс физики: Оптика. 1980. 752 стр.

7.      Фриш С.Э., Современная оптика. М.:”Знание”, 1968