Введение к работе
Актуальность работы. К неоднородным средам может быть отнесен широкий класс различного рода объектов, неоднородность которых определяется неоднородностью физико-технических характеристик, проявляющих себя при взаимодействии со световым пучком. К ним можно отнести показатель преломления, шероховатость поверхности или в общем случаи матрицы рассеяния объектов. Данная работа посвящена исследованию объектов с пространственно неоднородным распределением показателя преломления, таких как граданы и оптические соединения элементов оптоэлектроники. Этот объем исследования в большей мере использует технику эллипсометрии и интерферометрии, использующих в своем приборном воплощении полностью поляризованную компоненту частично поляризованного излучения. Кроме того, в работе выполнены исследования образцов, отличающихся пространственной неоднородностью матриц рассеяния, проявляющейся в неоднородности отражений частично поляризованного излучения при экспериментальных исследованиях, использующих технику поляриметрии.
При решении научно-технических проблем, связанных с применением градиентных элементов и анализом метрологических возможностей технологического контроля физико-технических характеристик элементов градиентной оптики, учитывающих влияние шероховатости поверхности, образующейся при технологической обработке детали, неоднородного поверхностного слоя при определении распределения угловой пространственной частоты передачи изображений по сечению оптического элемента (или оптического узла) и его хроматических аберраций, до сих пор является актуальной задачей исследование и усовершенствование поляризационно-оптических методов анализа физико-технических характеристик оптических элементов.
Важным моментом при создании и усовершенствовании оптико-электронных систем различного функционального назначения является оптическое соединение элементов оптотехники. Это связано с тем, что качество трансляции информации об объекте исследования, передаваемой оптической системой связано с напряженно-деформированным состоянием в оптических узлах, в значительной степени связанного с физико-техническими характеристиками соединяемых поверхностей.
На ряду с рассмотренными выше объектами исследования весьма актуальным в оптико-электронных системах неразрушающего контроля является необходимость совершенствования техники выделения пространственной неоднородности рассеяния излучения при отражении.
Цель настоящей работы состояла в исследовании поляризационно-оптических методов анализа физико-технических характеристик оптических элементов и их соединений с учетом физико-технических свойств неоднородного поверхностного слоя, образующегося при различных внешних воздействиях для совершенствования характеристик элементов оптотехники.
Конкретно в работе решались следующие основные задачи:
- разработка методов эллипсометрического и поляриметрического анализа
физико-технических характеристик пространственно-неоднородных сред
элементов оптотехники;
- изучение основных закономерностей изменения поляризационно-
оптических свойств отражающей системы «неоднородный слой -
шероховатая поверхность» элементов оптоэлектроники и многослойных
оптических систем при различной технологической обработке;
разработка эллипсометрических методов технологического контроля напряженно-деформированного состояния элементов оптотехники в их оптических соединениях;
- развитие, на основе полученных экспериментальных результатов,
научных представлений о кинетике и физико-технических механизмах
формирования неоднородной структуры поверхностных слоев элементов
оптотехники при технологической обработке.
Научная новизна работы определяется тем, что
получено уравнение эллипсометрии для анизотропных оптических систем, на основе которого разработан эллипсометрический метод анализа напряженно-деформированного состояния элементов в их оптических соединениях, учитывающего физико-технические свойства неоднородных поверхностных слоев элементов, предназначенных для создания оптических соединений деталей;
установлены корреляционные связи между оптическими характеристиками отражающей системы «неоднородный слой - шероховатая поверхность» при различной технологической обработке силикатных стекол;
разработана методика метрологической аттестации эллипсометрической аппаратуры, учитывающей основные закономерности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от неоднородных и шероховатых оптических систем;
- получено уравнение эллипсометрии для отражающей системы
«неоднородная пленка - неоднородная подложка», на основе которого
разработаны методы эллипсометрического контроля физико-технических
параметров элементов оптотехники;
- методами поляриметрии установлен характер изменения состояния
поляризации излучения, отраженного искусственными покрытиями, что
повышает достоверность выделения неоднородности на общем фоне на основе
поляризационного контраста. Установлена корреляция между физико-
химическим составом и состоянием поляризации излучения, отраженного
радиопоглощающими покрытиями.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Метод метрологической аттестации эллипсометрической аппаратуры, основанный на измерении азимутов поляризующих элементов прибора с использованием образцовых средств, изготовленных на основе тонкопленочных
систем окислов титана и кремния на поверхности натриевосиликатного стекла, позволяет однозначно определить состояние и тип поляризации отраженного светового пучка.
Методы иммерсионной и многоугловой эллипсометрии, основанные на уравнении эллипсометрии в приближении теории отражения поляризованного света Друде-Борна и методы поляриметрии, основанные на измерении параметров векторов Стокса, позволяют определять оптические характеристики неоднородных сред.
Поляризационно-оптический метод, основанный на уравнении просветной и отражающей компенсационной эллипсометрии для неоднородной анизотропной оптической системы, позволяет определить параметры напряженно-деформированного состояния оптического узла бесклеевых соединениях элементов оптотехники и оптические параметры поверхностного слоя в зоне оптического контакта этих элементов.
Практическая значимость работы состоит в том, что
- разработанные методы поляризационно-оптического контроля
оптических характеристик неоднородных и анизотропных оптических систем и шероховатых поверхностей использованы при решении широкого круга научных и технологических задач на ряде оптических производств элементов градиентной оптики и оптотехники;
- полученные методами эллипсометрии и поляриметрии экспериментальные данные позволили установить истинные корреляционные связи между технологическими параметрами различных физико-химических - процессов формирования неоднородной структуры поверхностного слоя и его оптическими характеристиками и, тем самым, осуществить поиск оптимальных технологических режимов обработки поверхности элементов оптотехники.
Результаты диссертационной работы использованы для технологического контроля кинетики физико-химических процессов формирования неоднородных структур поверхностных слоев элементов оптотехники на предприятии ООО "Кварцевое стекло". Результаты работы, затрагивающие теоретические и методические основы эллипсометрии неоднородных, анизотропных отражающих систем и шероховатых поверхностей, использованы также в учебном процессе в СПб ГУ ИТМО.
Личный вклад автора. Основные результаты по эллипсометрическим и поляриметрическим измерениям проведены лично автором.
Апробация работы. Результаты научно-исследовательских работ докладывались и обсуждались на XXXVI, XXXVII, XXXVIII конференциях ППС СПб ГУ ИТМО (г. Санкт-Петербург, 2007-2009 г.), на V и VI межвузовских конференциях молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2008, 2009 г.).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 6 научных трудах, в том числе 3 научных статьях в рецензируемом журнале, рекомендованного ВАК для кандидатских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.)
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего^ наименования, содержит^5-^траниц основного текста, . рисунка и ^таблиц.
