RU2377543C1 - Method of determining optical absorption losses in thin films - Google Patents

Method of determining optical absorption losses in thin films Download PDF

Info

Publication number
RU2377543C1
RU2377543C1 RU2008142285/28A RU2008142285A RU2377543C1 RU 2377543 C1 RU2377543 C1 RU 2377543C1 RU 2008142285/28 A RU2008142285/28 A RU 2008142285/28A RU 2008142285 A RU2008142285 A RU 2008142285A RU 2377543 C1 RU2377543 C1 RU 2377543C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
film
plate
absorption
angle
radiation
Prior art date
Application number
RU2008142285/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Дмитриевич Вольпян (RU)
Олег Дмитриевич Вольпян
Владимир Николаевич Курятов (RU)
Владимир Николаевич Курятов
Юрий Александрович Обод (RU)
Юрий Александрович Обод
Петр Петрович Яковлев (RU)
Петр Петрович Яковлев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха (ФГУП "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха (ФГУП "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха) filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха (ФГУП "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха)
Priority to RU2008142285/28A priority Critical patent/RU2377543C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2377543C1 publication Critical patent/RU2377543C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics; optics.
SUBSTANCE: invention relates to measuring techniques. The method is characterised by that, a laser resonator radiation beam is directed onto an inclined face of a plane-parallel plate placed in the resonator at an angle θ0 from the base. A test thin film is placed on one of the surfaces of the said plate in form of a wedge with vertex angle β, minimum thickness d and maximum thickness 3d. The plate is moved perpendicular the axis of the laser resonator and energy or power of the radiation coming out of the laser resonator is measured at different thicknesses of the wedge of the film at the point of reflection, and absorption of optical radiation by the film is determined from the maximum difference in the measured values.
EFFECT: more accurate determination of absorption losses in thin films.
3 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для определения параметров различных покрытий, используемых для изготовления оптических элементов и устройств, в том числе, отражающих, просветляющих, светоделительных и других.The invention relates to optical instrumentation and can be used to determine the parameters of various coatings used for the manufacture of optical elements and devices, including reflective, antireflective, beam-splitting and others.

Известен способ измерения коэффициента отражения, по которому измеряют световые потоки, отраженные от поверхности исследуемого образца и образца сравнения, которым является светоделительная пластина (SU 135256 [1]). Недостатком этого способа является необходимость независимого определения коэффициента пропускания светоделительной пластины.A known method of measuring the reflection coefficient, which measure the light flux reflected from the surface of the test sample and the reference sample, which is a beam splitter plate (SU 135256 [1]). The disadvantage of this method is the need for independent determination of the transmittance of the beam splitter plate.

Известен способ, по которому производят последовательные измерения световых потоков, отраженных от исследуемого образца и образца сравнения, изготовленного из непоглощающего и нерассеивающего материала (SU 1402864 [2]). Недостатком способа является низкая экспрессность, вызванная необходимостью определения пропускания образца сравнения, что требует изменения геометрии измерительной схемы и дополнительного количества измерений. При этом также уменьшается точность.There is a method by which successive measurements of light fluxes reflected from the test sample and the reference sample made of non-absorbing and non-scattering material are made (SU 1402864 [2]). The disadvantage of this method is the low expressivity caused by the need to determine the transmission of the reference sample, which requires a change in the geometry of the measuring circuit and an additional number of measurements. This also reduces accuracy.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, известный из RU 2033603 [3]. Способ заключается в следующем. Устанавливают пластину из исследуемого вещества в световой поток с интенсивностью Io и измеряют сигнал IRx, соответствующий интенсивности потока, отраженного от образца. В этом случае искомый коэффициент отраженияClosest to the technical nature of the proposed is a method known from RU 2033603 [3]. The method is as follows. Set the plate from the test substance into the light flux with intensity I o and measure the signal I Rx corresponding to the intensity of the flux reflected from the sample. In this case, the desired reflection coefficient

Figure 00000001
Figure 00000001

Затем в отраженный от исследуемого образца световой пучок устанавливают образец сравнения и измеряют сигнал I, соответствующий интенсивности света, прошедшего через образец сравнения. Для пропускания образца сравнения получаютThen, a comparison sample is installed in the light beam reflected from the test sample, and a signal I Te corresponding to the intensity of the light transmitted through the comparison sample is measured. To pass the sample comparison receive

Figure 00000002
Figure 00000002

После этого убирают исследуемый образец, вместо него в то же положение устанавливают образец сравнения и измеряют сигнал l, соответствующий интенсивности отраженного от образца сравнения света. Для коэффициента отражения образца сравнения получаютAfter that, the test sample is removed, instead, a reference sample is installed in the same position and the signal l Re corresponding to the intensity of light reflected from the reference sample is measured. For the reflection coefficient of the comparison sample get

Figure 00000003
Figure 00000003

Для непоглощающего и нерассеивающего материала образца сравнения выполняется соотношениеFor non-absorbing and non-scattering material of the reference sample, the relation

Figure 00000004
Figure 00000004

Из уравнений (2)-(4) получают уравнение (1) для искомого коэффициента отражения.From equations (2) - (4), equation (1) is obtained for the desired reflection coefficient.

Недостатком является невысокая точность и невозможность измерения оптических потерь на поглощение в тонких пленках.The disadvantage is the low accuracy and the impossibility of measuring optical absorption losses in thin films.

Заявляемый в качестве изобретения способ направлен на упрощение и повышение точности измерения малых оптических потерь на поглощение в тонких пленках.The inventive method is aimed at simplifying and improving the accuracy of measuring small optical absorption losses in thin films.

Указанный результат достигается тем, что способ определения оптических потерь на поглощение в тонких пленках характеризуется тем, что направляют пучок излучения лазерного резонатора на наклонный торец установленной в нем плоскопараллельной пластины с углом у основания θo, на часть одной из плоскостей которой нанесена испытуемая тонкая пленка в виде клина с углом при его вершине β, минимальной толщиной d и максимальной 3d, перемещают пластину в направлении, перпендикулярном оси лазерного резонатора и проводят измерение энергии или мощности излучения, выходящего из лазерного резонатора, при отражении пучка от свободной от пленки плоскости пластины, а затем от части, покрытой пленкой, при различных толщинах клина пленки в точке отражения и по максимуму разницы измеренных величин судят о поглощении пленкой оптического излучения, при этом величины θо, d, и β определяют из условий:This result is achieved by the fact that the method for determining optical absorption losses in thin films is characterized by directing the laser radiation beam onto the inclined end of the plane-parallel plate installed in it with an angle at the base θ o , on the part of one of the planes of which the test thin film is applied in in the form of a wedge with an angle at its apex β, minimum thickness d and maximum 3d, move the plate in the direction perpendicular to the axis of the laser resonator and measure the energy or power the radiation output from the laser resonator, when the beam is reflected from the film-free plane of the plate, and then from the part covered by the film, for different thicknesses of the film wedge at the reflection point and the maximum difference in the measured values judges the absorption of optical radiation by the film, while θ about , d, and β are determined from the conditions:

θо+arcsin((cos θo)/n1)≥arcsin(1/n1),θ о + arcsin ((cos θ o ) / n 1 ) ≥arcsin (1 / n 1 ),

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

гдеWhere

n1 - показатель преломления пластины;n 1 is the refractive index of the plate;

n2 - показатель преломления испытуемой пленки;n 2 is the refractive index of the test film;

λ - длина волны лазера, м;λ is the laser wavelength, m;

θо - угол между плоскостью плоскопараллельной пластины и ее наклонным торцом, рад;θ about the angle between the plane of the plane-parallel plate and its inclined end, rad;

θ - угол падения излучения на пленку, рад;θ is the angle of incidence of radiation on the film, rad;

а - диаметр лазерного луча, м;a is the diameter of the laser beam, m;

β - угол при вершине клина испытуемой пленки, рад;β is the angle at the top of the wedge of the test film, rad;

d - толщина испытуемой пленки, м.d is the thickness of the test film, m

Предложенное решение, заключающееся в направлении пучка излучения лазерного резонатора на наклонный торец установленной в нем плоскопараллельной пластины с углом у основания θо, на часть одной из плоскостей которой нанесена испытуемая тонкая пленка в виде клина с углом при его вершине β, минимальной толщиной d и максимальной 3d и перемещении пластины в направлении, перпендикулярном оси лазерного резонатора, позволяет достичь следующих целей: упростить процесс измерения малого поглощения тонких пленок и повысить точность такого измерения.The proposed solution, which consists in the direction of the laser radiation beam to the inclined end of the plane-parallel plate installed in it with an angle at the base θ о , on the part of one of the planes of which the test thin film is deposited in the form of a wedge with an angle β at its apex, the minimum thickness d and the maximum 3d and moving the plate in the direction perpendicular to the axis of the laser resonator, it is possible to achieve the following goals: to simplify the process of measuring the small absorption of thin films and to increase the accuracy of such a measurement Niya.

Упрощение процесса измерения достигается за счет того, что в процессе измерения используется простой, легко изготавливаемый оптический элемент (плоскопараллельная пластина), на который, применяя практически любой из известных способов нанесения пленок (термический, электронно-лучевой и т.д.), можно нанести исследуемую клиновидную пленку. В процессе измерения кроме названного элемента не используются какие-либо другие вспомогательные элементы (эталоны, пластины, зеркала и т.д.) и, следовательно, не проводят дополнительных измерений на этих элементах. Использование лазерного резонатора позволяет упростить конструкцию устройства для измерения поглощения в тонких пленках. При измерении малых поглощений в пленке уровень сигнала, выходящего из лазерного резонатора после многократных отражений от пленки, остается высоким благодаря большой яркости излучения и высокой добротности резонатора. Это значит, что для измерения не требуются сложные системы усиления и детектирования сигнала. Поскольку расходимость лазерного излучения невелика, отпадает необходимость в сложной собирающей и фокусирующей оптике.Simplification of the measurement process is achieved due to the fact that the measurement process uses a simple, easily fabricated optical element (plane-parallel plate), onto which, using practically any of the known methods of film deposition (thermal, electron beam, etc.), investigated wedge-shaped film. In the measurement process, in addition to the named element, no other auxiliary elements (standards, plates, mirrors, etc.) are used and, therefore, do not perform additional measurements on these elements. The use of a laser resonator makes it possible to simplify the design of a device for measuring absorption in thin films. When measuring small absorption in the film, the level of the signal emerging from the laser cavity after multiple reflections from the film remains high due to the high brightness of the radiation and the high quality factor of the resonator. This means that measurement does not require complex signal amplification and detection systems. Since the divergence of laser radiation is small, there is no need for complex collecting and focusing optics.

Повышение точности измерения малого поглощения тонких пленок в способе достигается за счет того, что измеряемую пленку располагают в лазерном резонаторе, она нанесена на грань полного внутреннего отражения пластины и в процессе измерения поглощения в пленке достигается максимум поглощения. Использование лазерного резонатора с активным элементом, снабженным средствами его накачки и управления, средствами измерения энергии или мощности лазерного излучения позволяет существенно повысить точность измерения оптических потерь на поглощение в тонких пленках. Это объясняется тем, что измеряемая пленка размещена в лазерном резонаторе на пути луча и, благодаря этому, при настройке резонатора в резонанс луч будет многократно отражаться и проходить сквозь пленку (благодаря явлению нарушенного полного внутреннего отражения), а это обеспечивает многократное увеличение суммарного пути, на котором излучение поглощается пленкой и, следовательно, увеличение суммарного поглощения излучения пленкой. Следовательно, средствами измерения энергии или мощности лазерного излучения будут регистрироваться при проведении измерений большие относительные изменения энергии или мощности, что позволяет повысить точность их измерения, и как следствие (см. ниже формулы расчета поглощения пленкой), повысить точность измерения малого поглощения пленки. Кроме того, при проведении измерений сохраняется высокая добротность лазерного резонатора, так как пленка нанесена на часть грани полного внутреннего отражения пластины, и, следовательно, при попадании луча на участок этой грани без нанесенной пленки потерь в резонатор при измерениях не вносится (фактически в этот момент производится измерение потерь от эталона). При перемещении пластины в направлении, перпендикулярном оси лазерного резонатора, лазерный луч перемещается по грани полного внутреннего отражения пластины и попадает на тонкую пленку. Пленка вносит в лазерный резонатор два вида потерь: малые потери на поглощение в пленке (фундаментальные для материала пленки, на дефектах в ней и т.д.) и потери, вызванные нарушением пленкой полного внутреннего отражения. На основании законов, описывающих отражение и преломление света (см. М.Борн, Э.Вольф. «Основы оптики», М., 1970) легко установить, что явление полного внутреннего отражения для грани основания используемой в способе пластины будет наблюдаться, если угол между ее основанием и наклонным торцом θ0 будет удовлетворять условию:Improving the accuracy of measuring the small absorption of thin films in the method is achieved due to the fact that the measured film is placed in the laser cavity, it is deposited on the face of the total internal reflection of the plate, and the absorption maximum in the film is reached. The use of a laser resonator with an active element equipped with means for pumping and controlling it, means for measuring the energy or power of laser radiation can significantly improve the accuracy of measuring optical absorption losses in thin films. This is explained by the fact that the measured film is placed in the laser resonator in the path of the beam and, due to this, when the resonator is tuned into resonance, the beam will repeatedly reflect and pass through the film (due to the phenomenon of impaired total internal reflection), and this provides a multiple increase in the total path by which radiation is absorbed by the film and, consequently, an increase in the total absorption of radiation by the film. Therefore, by measuring the energy or power of the laser radiation, large relative changes in energy or power will be recorded during measurements, which will increase the accuracy of their measurement, and as a result (see the formula for calculating the absorption of the film below), increase the accuracy of measuring low absorption of the film. In addition, during measurements, the high quality factor of the laser resonator is maintained, since the film is deposited on a part of the face of the total internal reflection of the plate, and, therefore, when a ray hits a portion of this face without a deposited film, no losses are introduced into the resonator during measurements (actually at this moment measurement of losses from the reference is performed). When the plate is moved in the direction perpendicular to the axis of the laser cavity, the laser beam moves along the face of the total internal reflection of the plate and enters a thin film. The film introduces into the laser cavity two types of losses: small absorption losses in the film (fundamental for the film material, defects in it, etc.) and losses caused by the violation of the total internal reflection by the film. Based on the laws describing the reflection and refraction of light (see M. Born, E. Wolf. "Fundamentals of Optics", M., 1970) it is easy to establish that the phenomenon of total internal reflection for the face of the base used in the method of the plate will be observed if the angle between its base and the inclined end face θ 0 will satisfy the condition:

Figure 00000007
Figure 00000007

гдеWhere

n1 - показатель преломления пластины. Применяемая в предлагаемом способе плоскопараллельная пластина изготовлена с углом между основанием пластины и ее наклонным торцом θ0, удовлетворяющем условию (5). Нанесение тонкой пленки с показателем преломления n2(n1≠n2) нарушает полное внутреннее отражение на границе «пластина - пленка». В этом случае энергетические коэффициенты отражения, пропускания и поглощения R, Т, и А могут быть вычислены из следующих соотношений (см. М. Борн, Э. Вольф. «Основы оптики», М., 1970):n 1 is the refractive index of the plate. The plane-parallel plate used in the proposed method is made with an angle between the base of the plate and its inclined end face θ 0 satisfying condition (5). The application of a thin film with a refractive index of n 2 (n 1 ≠ n 2 ) violates the total internal reflection at the "plate - film" boundary. In this case, the energy reflection, transmission, and absorption coefficients R, T, and A can be calculated from the following relationships (see M. Born, E. Wolf. "Fundamentals of Optics", M., 1970):

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

гдеWhere

ri+1 и ti+1 - френелевские коэффициенты на границах раздела сред с показателями преломления ni и ni+1;r i + 1 and t i + 1 - Fresnel coefficients at the interfaces between the media with refractive indices n i and n i + 1 ;

ni - показатель преломления материала среды или пленки;n i is the refractive index of the material of the medium or film;

di - толщина пленки;d i is the film thickness;

θi - угол падения или преломления на/в пленке;θ i is the angle of incidence or refraction on / in the film;

при i=2for i = 2

n2 - показатель преломления пленки.n 2 is the refractive index of the film.

Поскольку пленка поглощает, то n2=

Figure 00000016
-ik2, и k2 - искомый показатель поглощения материала пленки, может быть вычислен из (6) - (13).Since the film absorbs, then n 2 =
Figure 00000016
-ik 2 , and k 2 is the desired absorption coefficient of the film material, can be calculated from (6) - (13).

Система уравнений (6) - (13) позволяет по ряду измеренных значений R или Т, или А определить характеристики поглощения пленки. Так по ним можно определить поглощение пленки заданной толщины или показатель поглощения материала пленки. Но точные решения для этой системы в общем виде найти крайне трудно. Как правило, предварительно строят кривые зависимостей потерь на поглощение от толщины пленки для некоторого интервала значений коэффициента поглощения. Затем сопоставлением измеренных и вычисленных значений потерь на поглощение с помощью численных методов определяют характеристики поглощения: либо поглощение пленки заданной толщины, либо значения коэффициента поглощения материала пленки. Пример зависимости потерь на поглощение от толщины пленки для поглощающей пленки ТiO2 (n2=2,3) и стеклянной пластины (n1=1,5), для излучения гелий - неонового газового лазера (λ=0,632 мкм) и угла падения излучения на пленку θ≈50° приведен на фиг.2.The system of equations (6) - (13) allows us to determine the absorption characteristics of the film from a number of measured values of R or T, or A. So they can be used to determine the absorption of the film of a given thickness or the absorption rate of the film material. But the exact solutions for this system in general are extremely difficult to find. As a rule, the curves of the dependences of absorption losses on the film thickness are preliminarily plotted for a certain range of absorption coefficient values. Then, by comparing the measured and calculated values of the absorption loss using numerical methods, the absorption characteristics are determined: either the absorption of the film of a given thickness, or the absorption coefficient of the film material. An example of the dependence of absorption losses on the film thickness for an absorbing TiO 2 film (n 2 = 2,3) and a glass plate (n 1 = 1,5), for helium radiation - a neon gas laser (λ = 0.632 μm) and the angle of incidence of radiation on the film θ≈50 ° is shown in figure 2.

Видно, что для этих зависимостей характерно наличие максимумов суммарного поглощения (Аа) пленки для ряда толщин пленки. Из теории (см. М.Борн, Э.Вольф. «Основы оптики», М., 1970) известно, что наличие таких максимумов, их положение и величина объясняются интерференцией многократно отраженных и преломленных от границ пленки лучей, на которые разбивается падающее на пленку излучение, при условии, что выходная граница пленки является поверхностью полного внутреннего отражения. Ясно, что максимальная точность определения потерь на поглощение в пленке будет наблюдаться для наибольшего из экстремумов зависимости потерь на поглощение для заданного интервала толщин пленки, поскольку в этом случае будут регистрироваться при проведении измерений наибольшие относительные изменения измеряемой энергии или мощности излучения, вышедшего из резонатора. В предложенном способе экстремум в зависимости потерь на поглощение от толщины пленки для толщин пленки, не превышающих λ, можно зарегистрировать при сканировании клиновидной пленки от одного конца клина (толщина пленки равна d) до другого (толщина пленки равна 3d).It is seen that these dependences are characterized by the presence of maxima of the total absorption (A a ) of the film for a number of film thicknesses. From theory (see M. Born, E. Wolf. "Fundamentals of Optics", M., 1970) it is known that the presence of such maxima, their position and magnitude are explained by the interference of the rays repeatedly reflected and refracted from the film boundaries into which the incident radiation film, provided that the output boundary of the film is a surface of total internal reflection. It is clear that the maximum accuracy in determining the absorption loss in the film will be observed for the greatest of the extrema of the dependence of absorption loss for a given interval of film thicknesses, since in this case the largest relative changes in the measured energy or radiation power coming out of the resonator will be recorded. In the proposed method, the extremum, depending on the absorption loss on the film thickness for film thicknesses not exceeding λ, can be detected when scanning a wedge-shaped film from one end of the wedge (film thickness is d) to the other (film thickness is 3d).

Выбор минимальной (d) и максимальной (3d) толщины пленки произведен на основании численного анализа уравнений (6)-(13). Установлено, что для малых толщин пленок (d<λ) и малых уровней поглощения пленок (k<10-5) максимум поглощения лежит в интервале толщин, определяемых условием 0,25≥δi≤0,75 (см. 13). Из этого условия минимальная толщина клина пленки d определяется следующим образом:The minimum (d) and maximum (3d) film thickness were selected based on the numerical analysis of equations (6) - (13). It was found that for small film thicknesses (d <λ) and small film absorption levels (k <10 -5 ), the absorption maximum lies in the thickness range determined by the condition 0.25≥δ i ≤0.75 (see 13). From this condition, the minimum film wedge thickness d is determined as follows:

Figure 00000017
Figure 00000017

Выбор угла β обусловлен необходимостью ограничить максимальный набег фазы на диаметре луча лазера при наклонном его падении на пленку величиной, равной

Figure 00000018
. Численное моделирование уравнений (6)-(13) показывает, что это требование обеспечивает достижение незначительного влияния набега фазы на диаметре луча лазера при наклонном его падении на пленку на точность измерения малых поглощений пленки предлагаемым способом.The choice of angle β is due to the need to limit the maximum phase incursion on the diameter of the laser beam when it is inclined to fall onto the film by a value equal to
Figure 00000018
. A numerical simulation of equations (6) - (13) shows that this requirement ensures the insignificant effect of phase incursion on the diameter of the laser beam when it is inclined to fall onto the film on the accuracy of measuring the small absorption of the film by the proposed method.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства, с помощью которого осуществляется процесс измерения; на фиг.2 пример зависимости потерь на поглощение от толщины пленки для поглощающей пленки ТiO2; на фиг.3 пример зависимости мощности накачки от потерь на поглощение в пленке.The essence of the proposed method is illustrated by examples of its implementation and drawings. Figure 1 presents a schematic diagram of a device with which the measurement process is carried out; figure 2 an example of the dependence of the absorption loss on the film thickness for an absorbing film TiO 2 ; figure 3 an example of the dependence of the pump power on the absorption loss in the film.

Устройство, с помощью которого осуществляется способ, включает лазерный резонатор с активным элементом 1, глухим зеркалом 2 и полупрозрачным зеркалом 3. Лазер содержит средства его накачки и управления (на чертеже не показаны в силу их известности). Устройство снабжено средствами измерения энергии или мощности лазерного излучения, которые могут быть выбраны из числа известных (на чертеже не показано). В резонаторе установлена с возможностью ее перемещения перпендикулярно относительно пучка излучения, падающего на ее наклонный торец, плоскопараллельная пластина 4 с углом у основания θ0. На часть поверхности плоскопараллельной пластины нанесена испытуемая тонкая пленка 5 в виде клина с углом при его вершине β с минимальной толщиной d и максимальной 3d.The device with which the method is carried out includes a laser resonator with an active element 1, a dull mirror 2 and a translucent mirror 3. The laser contains means for pumping and controlling it (not shown in the drawing because of their popularity). The device is equipped with means for measuring the energy or power of laser radiation, which can be selected from among the known (not shown in the drawing). A plane-parallel plate 4 with an angle at the base of θ 0 is installed in the resonator with the possibility of its movement perpendicular to the beam of radiation incident on its inclined end face. A test thin film 5 is applied on a part of the surface of a plane-parallel plate in the form of a wedge with an angle β at its peak with a minimum thickness d and a maximum 3d.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

Первый вариант. Включают средство накачки активного элемента 1 и с помощью органов управления добиваются стабильной генерации излучения через полупрозрачное зеркало 3. После этого с помощью известных средств, например ИМО-2Н (Россия) или OPHIR-32 (США), измеряют энергию или мощность лазерного излучения. Затем внутрь резонатора, образованного зеркалами 2 и 3, помещают плоскопараллельную пластину 4, на одной из поверхностей которой нанесена испытуемая пленка 5 в виде клина. Сначала пластину 4 устанавливают так, что после вхождения в нее пучка лазерного излучения он отразился бы от ее поверхности, на которую нанесена пленка, но от ее части, свободной от пленки. Измеряют энергию или мощность лазерного излучения и фиксируют измеренные значения.First option. They turn on the pumping means of the active element 1 and, using the controls, achieve stable generation of radiation through a translucent mirror 3. After that, using known means, for example IMO-2H (Russia) or OPHIR-32 (USA), measure the energy or power of laser radiation. Then, a plane-parallel plate 4 is placed inside the resonator formed by mirrors 2 and 3, on one of the surfaces of which the test film 5 is applied in the form of a wedge. First, the plate 4 is installed so that after the laser beam enters it, it would be reflected from its surface on which the film is applied, but from its part free of the film. Measure the energy or power of the laser radiation and record the measured values.

Затем пластину 4 смещают перпендикулярно относительно пучка излучения, падающего на ее наклонный торец (на чертеже показано стрелками) так, чтобы излучение попало внутрь пластины на какой-либо из краев нанесенной снаружи пленки, и определяют мощность или энергию лазерного излучения. И таким образом, процедуру повторяют, чтобы отражение пучка внутри пластины происходило в точках с разной толщиной пленки в точке отражения и фиксируют максимум разницы между измеренными величинами энергии или мощности. Поскольку уменьшение величины энергии или мощности лазерного излучения на выходе из резонатора свидетельствует о вносимых в него потерях, то по величине максимума разницы между измеренной мощностью или энергией излучения на выходе из резонатора для участков поверхности плоскопараллельной пластины с пленкой и без нее можно судить о величине потерь на поглощение в тонких пленках. Для этого предварительно строят по уравнениям (6)-(13) кривые зависимостей потерь на поглощение от толщины пленки для некоторого интервала значений коэффициента поглощения. Производят нормировку полученных зависимостей для применения в используемом резонаторе по ряду эталонов потерь, измеряя мощность или энергию излучения на выходе из резонатора при падении лазерного луча на участок поверхности плоскопараллельной пластины без пленки. Например, в качестве эталонов потерь могут быть использованы чистые плоскопараллельные стеклянные пластины. Затем сопоставлением измеренных и предварительно вычисленных значений потерь на поглощение определяют значения потерь на поглощение для пленки заданной толщины или коэффициента поглощения материала пленки.Then, the plate 4 is displaced perpendicular to the beam of radiation incident on its inclined end (shown in the drawing by arrows) so that the radiation enters the plate at one of the edges of the film deposited on the outside, and the laser radiation power or energy is determined. And thus, the procedure is repeated so that the reflection of the beam inside the plate occurs at points with different film thicknesses at the reflection point and the maximum difference between the measured values of energy or power is recorded. Since a decrease in the energy or power of the laser radiation at the exit from the resonator indicates losses introduced into it, then the magnitude of the maximum difference between the measured power or energy of radiation at the exit of the resonator for surface areas of a plane-parallel plate with a film and without it can be used to judge the value of losses absorption in thin films. For this, the dependences of the absorption losses on the film thickness for a certain range of absorption coefficients are preliminarily constructed using equations (6) - (13). The obtained dependences are normalized for use in the resonator used according to a number of loss standards, measuring the radiation power or energy at the exit from the resonator when a laser beam is incident on a surface portion of a plane-parallel plate without a film. For example, pure plane-parallel glass plates can be used as loss standards. Then, by comparing the measured and previously calculated absorption loss values, the absorption loss values for the film of a given thickness or absorption coefficient of the film material are determined.

Второй вариант. Включают средство накачки активного элемента 1 и с помощью органов управления добиваются стабильной генерации излучения через полупрозрачное зеркало 3. После этого на пути лазерного излучения внутрь резонатора, образованного зеркалами 2 и 3, помещают плоскопараллельную пластину 4, на одной из поверхностей которой нанесена испытуемая пленка 5 в виде клина. Сначала пластину 4 устанавливают так, что после вхождения в нее пучка лазерного излучения он отразился бы от ее поверхности, на которую нанесена пленка, но от ее части, свободной от пленки. После этого снова добиваются устойчивой генерации при минимальной электрической мощности, подаваемой на средство накачки. Затем пластину 4 смещают перпендикулярно относительно пучка излучения, падающего на ее наклонный торец (на рисунке 1 показано стрелками) так, чтобы излучение попало внутри пластины на какой-либо из краев нанесенной снаружи пленки и определяют минимальную электрическую мощность, подаваемую на средство накачки, необходимую для устойчивой генерации. Фиксируют разницу, требуемую для накачки мощности в случае отражения от свободной поверхности и от поверхности с нанесенной пленкой. Процедуру повторяют, чтобы отражение пучка внутри пластины происходило в точках с разной толщиной пленки в точке отражения и фиксируют максимум разницы, требуемой для накачки мощности в случае отражения от свободной поверхности и в одной из точек с нанесенной пленкой. Поскольку величина потерь в резонаторе напрямую связана с мощностью, подаваемой на средство накачки для обеспечения устойчивой генерации, то по изменению подаваемой энергии можно судить и об изменении величины потерь, а значит о величине потерь на поглощение в тонких пленках. В общем случае коэффициент поглощения пленки невозможно выразить явно через измеряемые величины. Поэтому необходимо предварительно построить кривые зависимостей мощности накачки от потерь пленки. Пример такой зависимости приведен на фиг 3. Затем сопоставлением измеренных и вычисленных значений мощности накачки определяют значения коэффициента потерь в материале пленки с помощью численных методов.The second option. The means for pumping the active element 1 are turned on and, using the controls, they achieve stable generation of radiation through a translucent mirror 3. After that, a plane-parallel plate 4 is placed on the surface of the laser radiation inside the cavity formed by mirrors 2 and 3, on which surface 5 a wedge. First, the plate 4 is installed so that after the laser beam enters it, it would be reflected from its surface on which the film is applied, but from its part free of the film. After that, stable generation is again achieved with the minimum electric power supplied to the pumping means. Then, the plate 4 is displaced perpendicularly with respect to the radiation beam incident on its inclined end (shown in arrows in Fig. 1) so that the radiation falls inside the plate at one of the edges of the film deposited on the outside and determines the minimum electric power supplied to the pumping means necessary for sustainable generation. The difference required for pumping power in the case of reflection from the free surface and from the surface with the applied film is recorded. The procedure is repeated so that the reflection of the beam inside the plate occurs at points with different film thicknesses at the reflection point and the maximum of the difference required for pumping power in case of reflection from the free surface and at one of the points with the deposited film is fixed. Since the amount of losses in the resonator is directly related to the power supplied to the pumping means to ensure stable generation, the change in the supplied energy can also be used to judge the change in the amount of loss, and hence the amount of absorption loss in thin films. In the general case, the absorption coefficient of a film cannot be expressed explicitly in terms of the measured quantities. Therefore, it is necessary to first plot the dependences of the pump power on film losses. An example of such a dependence is shown in Fig. 3. Then, by comparing the measured and calculated values of the pump power, the values of the loss coefficient in the film material are determined using numerical methods.

Claims (1)

Способ определения оптических потерь на поглощение в тонких пленках, характеризуемый тем, что направляют пучок излучения лазерного резонатора на наклонный торец установленной в нем плоскопараллельной пластины с углом у основания θ0, на часть одной из плоскостей которой нанесена испытуемая тонкая пленка в виде клина с углом при его вершине β, минимальной толщиной d и максимальной 3d, перемещают пластину в направлении, перпендикулярном оси лазерного резонатора, и проводят измерение энергии или мощности излучения, выходящего из лазерного резонатора, при отражении пучка от свободной от пленки плоскости пластины, а затем от части, покрытой пленкой, при различных толщинах клина пленки в точке отражения, и по максимуму разницы измеренных величин судят о поглощении пленкой оптического излучения, при этом величины θ0, d, и β определяют по формулам:
θ0+arcsin((cos θ0)/n1)≥arcsin(1/n1),
Figure 00000019

Figure 00000020

где n1 - показатель преломления пластины;
n2 - показатель преломления испытуемой пленки;
λ - длина волны лазера, м;
θ0 - угол между плоскостью плоскопараллельной пластины и ее наклонным торцом,рад;
θ - угол падения излучения на пленку, рад;
a - диаметр лазерного луча, м;
β - угол при вершине клина испытуемой пленки, рад;
d - толщина испытуемой пленки, м.
A method for determining optical absorption losses in thin films, characterized in that the laser beam is directed to the inclined end of the plane-parallel plate installed in it with an angle at the base θ 0 , on the part of one of the planes of which the test thin film is applied in the form of a wedge with an angle at its vertex β, the minimum thickness d and the maximum 3d, move the plate in the direction perpendicular to the axis of the laser resonator, and measure the energy or power of the radiation emerging from the laser ezonatora, the reflection beam from the free to the film plane of the plate, and then from the part covered by the film, under different film thickness of the wedge at the reflection point, and the maximum difference in the measured values are judged on the absorption film of the optical radiation, and the magnitude of θ 0, d, and β are determined by the formulas:
θ 0 + arcsin ((cos θ 0 ) / n 1 ) ≥arcsin (1 / n 1 ),
Figure 00000019

Figure 00000020

where n 1 is the refractive index of the plate;
n 2 is the refractive index of the test film;
λ is the laser wavelength, m;
θ 0 is the angle between the plane of the plane-parallel plate and its inclined end, rad;
θ is the angle of incidence of radiation on the film, rad;
a is the diameter of the laser beam, m;
β is the angle at the top of the wedge of the test film, rad;
d is the thickness of the test film, m
RU2008142285/28A 2008-10-27 2008-10-27 Method of determining optical absorption losses in thin films RU2377543C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008142285/28A RU2377543C1 (en) 2008-10-27 2008-10-27 Method of determining optical absorption losses in thin films

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008142285/28A RU2377543C1 (en) 2008-10-27 2008-10-27 Method of determining optical absorption losses in thin films

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2377543C1 true RU2377543C1 (en) 2009-12-27

Family

ID=41643114

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008142285/28A RU2377543C1 (en) 2008-10-27 2008-10-27 Method of determining optical absorption losses in thin films

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2377543C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPH06101505B2 (en) Method and apparatus for semiconductor ion implantation dose level evaluation
JPS6379004A (en) Light probe for measuring shape
Eickhoff et al. Measuring method for the refractive index profile of optical glass fibres
CN101241017A (en) Micro-displacement measurement method based on guided mode excitated Goos-Hanchen shift enhancement effect
JP5698863B2 (en) Method and apparatus for measuring refractive index
CN103884298A (en) System and method for measuring metal surface roughness on basis of guiding mold
AU2020102409A4 (en) Optical fiber end face microcantilever sensor and fabrication method thereof
CN102252828B (en) Method for monitoring real-time changes in reflectivity of highly reflective optical element under laser irradiation
US8379228B1 (en) Apparatus for measuring thin film refractive index and thickness with a spectrophotometer
CN101413827A (en) Method for detecting laser wavelength by Goos-Hanchen displacement characteristic
RU2377543C1 (en) Method of determining optical absorption losses in thin films
Okamoto et al. Surface plasmon microscope with an electronic angular scanning
RU2377542C1 (en) Device for determining optical absorption losses in thin films
TW201305530A (en) Measurement method of small angle and small displacement and the device thereof
US9062967B2 (en) Measurement apparatus for measuring a surface shape of an object based on an interference signal
Shulga et al. Intracavity waveguide spectroscopy of thin films
US6392753B1 (en) Accelerated damage testing method and apparatus for low loss optical materials
Nosoko et al. Improved interferometer for measuring unsteady film thickness
RU80954U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING OPTICAL LOSS ON ABSORPTION IN THIN FILMS
Khomchenko et al. Determining thin film parameters by prism coupling technique
CN116929724B (en) Device and method for measuring thermal focal length of laser medium
CN109470661B (en) Gus Hansen displacement type SPR sensor based on M-Z interference structure
Huang et al. A novel method to measure refractive index of liquid and curable liquid substances
RU2018112C1 (en) Device for measuring reflection and transmission coefficients
RU2625641C1 (en) Device for measuring distribution of field of infrared surface electromagnetic wave on their track

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20111028