SU1651115A1 - Устройство дл измерени механических напр жений в детал х, выполненных из оптически прозрачных материалов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  механических напр жений в кристаллических подложках и эпитаксиальных структурах. Целью изобретени   вл етс  повышение скорости и точности измерений в тонких пластинах оптически прозрачных материалов. Устройство содержит источник излучени , оптическую систему с расположенными на одной оптической оси пол ризатором, электрическим модул тором - компенсатором, анализатором , фотоэлектрическим регистрирующим прибором, систему двух положительных линз, расположенных после компенсатора и механизмом перемещени  пластин в фокальной плоскости системы линз, причем апертуру светового пучка , прошедшего через систему двух линз, рассчитывают по формуле. Р arcsin {«Г d -3 1 преломлени  где п и t0 - показатель преломлени  и средн   толщина измер емой пластины соответст венно, a fl - длина волны излучени , прошедшего через пластину. 3 ил. С/ 05 ел

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  механических напр жений в кристаллических подложках и в эпитаксиальных структурах.

Цель изобретени  - повышение скорости и точности измерений в тонких пластинах оптически прозрачных материалов .

На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 - градуировочный график дл  выбора рассто ни  между линзами; на фиг„3 - график изменени  выходного сигнала: а - при использовании системы линз, б - без

системы линз.

I

Устройство содержит ОКГ 1, оптическую систему с пол ризатором 2, электрооптическим модул тором-компенсатором 3, на вход которого подаетс  фазсодвигающее посто нное напр жение с наложенным на него напр жением модул ции , системой двух собирающих

ел

линз А и анализатором 5, механизмы 6 перемещени  образца фотоэлектрический регистрирующий прибор 7, селективный усилитель 8 и самописец 9.

Устройство работает следующим образом .

Световой пучок от оптического квантового генератора 1 попадает на пол ризатор 2 и затем проходит че- рез модул тор-компенсатор 3, ориентированный так, что угол между наведенньми электрическим полем ос ми и осью пол ризатора равен If/A. Далее световой пучок проходит через систему двух собирающих линз А, рассто ние между которыми lfl равно

10 - fi Ч+ fe fcS/V1

где ft

и fn - фокальное рассто ние первой и второй линз соответственно;

В0- величина апертуры, соответ ствующей минимуму колебани 1, прошедших при заданной

По формулам (3) и (1) проводитс 

расчет, по результатам которого стро итс  градуировочный график (или таблица ) дл  данного материала и данной длины волны используемого излучени . При проведении измерений величина 1 устанавливаетс  по градуировочному графику (таблице) дл  пластин га- дол иний-галлиевого граната (п 1,9701) толщиной 200-1000 мкм (пластины меньшей и большей толщины практически не примен ютс ), -Д 0,63 мкм и f, f 10

(Фиг„2).

Сформированный гомоцентрический пучок проходит через образец 6, наход щийс  в фокусе пучка, через анализатор 5, ось которого составл ет с осью пол ризатора угол 1Г/2, и попадает на ФЭРП 7.

Интенсивность светового пучка

равна

cos( Д0 + Дц) + sin( U0 + Дк ) х

I sinZ(un+ Дк +AM sinCOt)

X Дт- sinCOt + jr cos( Д0 + Дк) х 2d)t ...

с

Q 5

0

35

5

,0 40

где Д0 - разность фаз, даваема  образцом; АИ - разность фаз, даваема 

компенсатором; Дт- амплитуда модул ции; (О - частота модул ции. Электрический сигнал с ФЭРП поступает на вход селективного усилител  8, который выдел ет сигнал частоты модул ции. С выхода усилител  посто нный электрический сигнал, величина которого пропорциональна величине амплитуды I.,, поступает на самописец 9.

Механизм 5 перемещени  продвигает образец в плоскости, перпендикул рной лучу, со скоростью 0,2-0,5 см/с вдоль линии, в каждой точке которой оси главных напр жений составл ют с осью пол ризатора угол н /А. На ленте самописца записываетс  величина амплитуды электрического сигнала U , corn ответствугощего I/лИ равного

Um K«/sin(A0 + K)}

где К - коэффициент пропорциональности .

Так как знак электрического сигнала не зависит от знака &0, то дл  получени  однозначного профил  Um необходимо установить Л fe &p

такое, что Л. р + &о ® или Р + + Д0 0 дл  любого участка образца. Поле ленты самописца перед измерени ми калибруетс  по величине Д. благодар  линейной зависимости Л, от V, где величина посто нного электрического напр жени , подаваемого на модул тор-компенсатор о

Значение разности напр жений 6 О в любой точке можно получить гпо зависимости

Ьб

& 2V

Get

где t - толщина образца;

- длина волны используемого

излучени ;

С - фотоупруга  посто нна ; U - разность фаз, возникша  при прохождении светового пучка через напр женный участок. Рассто ние между линзами 1 выбирают из расчетного градуировочного графика зависимости этого рассто ни  от средней толщины образца, построенного на основе заданных показател 

516

преломлени  материала образца, длины волны используемого излучени  и величины фокусных рассто ний обеих линз (фиг. 2) „

В объектах, дающих малый набег разности фаз, зависимость IQ от напр жений близка к линейной, поэтому скорость измерений можно сущест- венно повысить, исполъзу  известное устройство, в сочетании с перемещением образца перпендикул рно лучу с посто нной скоростью при одновременной записи IQ. Полученную зависимость можно откалибровать и получить профиль напр жений по линии пересечени  образца с лучом. Калибровку нужно проводить по известным значени м величины добавочной разности фаз, вносимой компенсатором, Такой подход должен дать значительно большую точность, чем при измерени х в отдельной точке с ошибкой, равной измер емой величине. Необходимым условием использовани  перемещени   вл етс , неизменность угла между ос ми напр жений и осью пол ризатора вдоль линии измерений (как указывалось выше, этот угол равен /|Г /4). К объектам,

удовлетвор ющим этому условию, относ тс  пластины, вырезанные из кристаллов цилиндрической формы, выращенных в осесимметричном тепловом поле (например методом Чохральско- го). Если пластины вырезаны перпендикул рно оси выращивани , то присутствующие в них напр жени  дел тс  на радиальные и тангенциальные, причем любой диаметр  вл етс  лини- ей, вдоль которой направлени  осей напр жений не мен ютс . Такие пластины используютс , в частности, в качестве подложек при получении эпи- таксиальных структур, их толщина сое- тавл ет обычно 300-500 мкм. В подоб- ных объектах использование перемещени  не дает положительного результата , так как участок исследуемой пластины при прохождении через него свето вого пучка воздействует на него как интерферометр Фабри-Перо.в результате интенсивность света, прошедшего через образец, определ етс  формулой Эри

проы

IjfflAil.I-511,

1 + R - 2 R-cos (Aft -Ј cos«0

1

15 где I .- интенсивность света, падающего на образец; R - коэффициент отражени ; п - показатель преломлени 

материала образца; DЈ - угол падени  света на образец .

Изменение толщины по линии измерений приведет к возникновению колебаний Inpo. Амплитуда колебаний I-,, вызванных разнотолщинностью, может превышать изменени  1 из-за напр жений , что приводит к неоднозначности снимаемой зависимости.

Использу  систему двух собирающих линз, можно сформировать гомоцентрический световой пучок с действительным фокусом; если в этот фокус поместить исследуемую пластину, то интенсивность света, прошедшего через образец, равна

. )i

J-пад (1 cosp;

+

(3)

G 1 - cosX1 +

Ъ

0 4fin- t

. ,.A.ntu

R sin(4«-Ј- cosj)

,/v.nt

arctg

1 - R соз(4Г; cosj

- arctg

R sin(4M)

Л

1-R cos(4lt-v- Л

ft

SrSt ln

1+R - 2Rcos(4lT™) t+R - 2Rcos( cos) sinP,

I.. /SJLUIV

X1 arcs in ()

vn

где А - углова  апертура гомоцентрического пучка.

Неплоскопараллельность образца вызывает колебани  амплитуда которых определ етс  средней толщиной образца t0 и величиной /3 при заданных п и Д . Дл  любого значени  t сущест вует значение величины , при котором амплитуда колебаний 1прош меньше дес тых долей процента, при этом значени  разнотолщинности пластин могут достигать величин более 10 мкм.

Профиль изменени  величины электри ческого сигнала, поступающего на самописец , при измерени х с использованием системы линз и без нее, показан на фиг.З. Образец представл ет собой пластину гадолиний-галлиевого граната диаметром 76 мм, толщиной 712 мкм и разнотолщинностью fat ь 3-4 мкм„

Профиль сн т по диаметру образца. На фиг.За после градуировки нанесен масштаб изменени  величины разности фаз по диаметру пластины. Одно- , значного профил  изменени  Д с поморью известного .устройства получить не удалось ввиду низкой точности измерений о

При решении уравнени  (3) установлено , что минимумы колебаний достигаютс  при выполнении ., равенства

л-nto

cos() cos(.cos}f).

Тогда cos У

. /Л m 1 2nt;

где m 1,2,3,... В этом случае

arcsin

-fe V nt

(1

$ m

4n-trt

)

Наиболее широка  область изменени  толщины пластины, в которой амплитуда колебаний Ippow .меньше дес тых долей процента, достигаетс  при m 1, тогда

Им /Л- arcsinn|---(1 -

nt

о

Таким образом, при перемещении образца 6 в фокальной плоскости системы двух линз 4, рассто ние меж

0

5

0

5

0

Claims (1)

1. ду которыми устанавливаетс  до начала измерений по формуле (5), интенсивность светового пучка, попадающего в ФЭРП, определ етс  величиной амплитуды колебаний интенсивности, вызванных измерением толщины образца , и будет меньше дес тых долей процента. Форма кривой, получаемой на ленте самописца, однозначно определ етс  изменением величины двулу- чепреломлени  образца. Формула изобретени 

   Устройство дл  измерени  механических напр жений в детал х, выполненных из оптически прозрачных материалов , содержащее последовательно установленные на одной оптической оси источник светового излучени , пол ризатор, электрооптический модул тор , анализатор и фотоэлектричест: кий регистрирующий прибор, отличающеес  тем, что, с целью повышени  скорости и точности измерени  в образцах, выполненных в виде пластин, в него введены оптическа  система, выполненна  в виде двух положительных линз, расположенных на одной оптической оси после модул тора механизм перемещени  пластин в фокальной плоскости оптической системы , расположенный между оптической системой и анализатором, при этом апертура оптической системы соответствует

   р. ю.й(, ,;

   где п - показатель преломлени  измер емой пластины; t - средн  .толщина измер емой

   пластины;

   ft - длина волны светового излучени  .

   фиг. 1

   Редактор А. Козориз

   Фиг.З

   Составитель В„ Маслов Техред С.Мигунова

   ПО 200 300 ffOO 500 6OO 7OO 8OO ЭОО W30

   фиг,2to,  ки

   Корректор Л. Пат аи