Введение к работе
Актуальность работы. В связи с открытием новых областей применен стеклообразных материалов, где стекла играют не традиционную пассивну (например, оптические среды, электроизоляционные материалы и т.п.), активную роль (лазерные материалы, элементы электронных приборов, дози метрические материалы и т.п.), то для адекватного прогнозирования изменения оптических и физико-технических характеристик элементов от техники при различных внешних воздействиях особенно актуальной ста, задача изучения кинетики физико-химических процессов, происходящих .-поверхности оптических элементов при механических, химически1-, тепловых, радиационных воздействиях, а также разработка физико-математических моделей различных механизмов формирования неоднородное структуры поверхностного слоя (ПС), образующегося на элемента., выполненных из силикатных стекол и кристаллов.
Внешнее сходство многих свойств силикатных стекол и кристаллов побудило некоторых исследователей к не всегда достаточно оправданному фор мальному применению к описанию кинетики физико-химических процессов оптических свойств поверхностных слоев фторсодержащих или свинцового. -ликатных стекол тех же моделей, которые ранее использовались для крист;л лов. Однако специфические особенности структуры и состава многокомпочс тных силикатных стекол иногда создают значительные затруднения в оьтг в-нии физико-химических процессов, приводящих к образованию неоднородны, поверхностных слоев различных силикатных систем (кристаллов, стекол, п.пе-нок и т.п.). В основном это связано с тем, что для многокомпонентных силикатных стекол отсутствуют достаточно чсно выраженные границы применение различных представлений и понятий о макро- и микроскопических характеристиках поверхностных слоев, исторически развитых применительно к криє талллическим материалам.
Для формирования научных представлений о природе физгпсо-химических процессов, приводяпдах к образованию неоднородных по своему составу : структуре силикатных систем поверхностного слоя, необходима разработка ::,>-вой методологии в изучении и физико-математическом моделировании кия? тики и механизмов формирования физико-химических свойств самых разно образных силикатных систем (кристаллов, многокомпонентных силикатные стекол, стеклообразующих пленок и т.п.) при различных внешних воздействиях.
Цель настоящей работы состояла в усовершенствовании известных <; разработке новых поляризационнс—оптических и спектрометрических МС№Л-. : исследования физико-химических характеристик поверхностных слоев эле ментов оптотехники в процессе модификации структуры многокомпонентні:::-силикатных стекол при различных внешних воздействиях (механических химических, тепловых, радиационных и т.д.).
Для этого в работе решались следующие основные задачи:
разработка методик эллипсометрического и спектроскопического анализа поляризационно-оптических свойств неоднородных поверхностных слоев многокомпонентных силикатных стекол;
изучение основных закономерностей изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от оптической системы «неоднородный поверхностный слой - шероховатая поверхность - неоднородная подложка»;
изучение кинетики и физико-химических механизмов формирования волноводных поверхностных слоев на фторсодержащих силикатных стеклах при различных внешних воздействиях окружающей среды (атмосферы воздуха влажной атмосферы, вакуума) и тепловой низкотемпературной обработки;
изучение кинетики и физико-химических механизмов формирования неоднородной, структуры поверхностных слоев на свинцовосиликатных стекол при механической, химической и ионной обработки.
Научная новизна работы состоит в том, что
на основе применения теории возмущений к рекуррентным соотношениям Абеле для многослойной отражающей системы в аналитическом виде получено уравнение эллипсометрии для оптической системы «неоднородный слой - шероховатая поверхность - неоднородная подложка»;
изучены основные закономерности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от оптической системы «неоднородный слой -шероховатая поверхность», на основе которого разработаны методы физико-математического моделирования структуры неоднородных поверхностных слоев силикатных стекол;
методами эллипсометрии, волноводной спектроскопии, электронной Оже-спектрометрии и вторичная ионная масс спектрометрия (ВИМС) установлены корреляционные связи между поляризационно-оптическими параметрами поверхностных слоев, образующихся при механической, химической, тепловой и ионной обработке силикатных стекол, и физико-химическими характеристиками элементного состава стекла;
изучены кинетика и физико-химические механизмы формирования маломодовых волноводных поверхностных слоев на фторсодержащих стеклах при различных внешних воздействиях окружающей среды (вакуума, атмосферы воздуха, влажной атмосферы) и при последующей тепловой обработки оптических элементов;
изучены кинетика и физико-химические механизмы формирования выщелоченного слоя и сегрегации щелочных компонентов в глубине поверхностного слоя при ионной и химической обработке -винцовосиликатных стекол;
исследованы физико-химические механизіиії формирования неоднородной структуры парофазного кварцевого стекла и влияние "комбинационной" (химической) и "позиционной" (структурной) неоднородности кремнекисло-родной сетки на потери излучения в УФ области спектра излучения.
Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту, состоят в следующем:
Физико-математическое моделирование многослойной неоднородной отражающей системы по методу «эффективного слоя» и «эффективной подложки», основанное па применении теории возмущений к рекуррентным соотношениям Лбеле, позволяет в аналитическом виде получить уравнение эллипсо-метрии для отражающей системы «неоднородный слой - шероховатая поверхность - неоднородная подложка».
Метод последовательного эллипсометрического анализа неоднородных отражающих систем, основанный на физико-математическом моделировании структуры отражающей системы, позволяет по измеренным значениям поляризационных параметров отраженного светового пучка в произвольно выбранной измерительной ситуации определять оптимальные условия эксперимента, при которых можно сравнивать различные по своему физическому содержанию модели поверхностного слоя при наименьшей вероятности ошибки в оценки их адекватности объекту исследования.
При воздействии влажной атмосферы на поверхность фторсодержаще-го силикатного стекла, синтезированного с добавками окислов алюминия, образуются волноводныг поверхностные слои, которые изменяют свои оптические характеристики в процессе низкотемпературной обработки детали.
Метрологическая аттестация потерь оптического излучения в элементах парофазпого кварцевого стекла, основанная на совместном использовании методов эллипсометрии и спектрофотометрии, позволяет различать потери излучения вызванные образованием поверхностного слоя при обработке стекла от потерь излучения связанные с его ослаблением в объеме стекла.
Практическая значимость работы, состоит в том что
~ полученные методами эллипсометрии и спектрометрии результаты исследований структуры, состава и физико-химических характеристик поверхностного слоя элементов оптотехники позволяют осуществить поиск оптимальных технологических режимов обработки поверхности оптических элементов и более целенаправленно определить условия эксплуатации деталей с модифицированной структурой поверхностного слоя в оптико-электронных приборах и комплексах различного функционального назначения;
- установленные корреляционные связи между оптическими характеристиками поверхности детали и технологическими параметрами ее обработки являются основой для разработки способов изготовления и методов эллипсометрического контроля оптических элементов с высокой химической устойчивостью поверхности и минимальными потерями излучения в видимой, УФ и ИК областях спектра.
Реализация результатов работы отражена в акте внедрения от ФГУП НИТИОМ ВНЦ им. С.И.Вавилова. Результаты работы, затрагивающие теоретические и методические основы эллипсометрии неоднородных оптических систем и шероховатых поверхностей элементов оптоэлектроники, использованы в учебном процессе в СПб ГУ ИТМО.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены либо лично автором, либо по его инициативе и при его непосредственном участии.
Апробация работы. Результаты научной работы докладывались и обсуждались на VII Международной конференции "Прикладная оптика - 2006", проводимой в рамках Международного оптического конгресса "ОПТИКА -XXI век" (г.Санкт-Петербург, 2006 г.); на IV межвузовской конференции молодых ученых (г.Санкт-Петербург, 2007 г.); на XXXVI, XXXVIII конференциях ППС СПб ГУ ИТМО (г.Санкт-Петербург, 2007, 2009 г.).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 11 научных трудах, в том числе 4 научных статьях опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских и кандидатских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.)
Структура и объем диссертации. Дисертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 118 на-именований, приложения; содержит 198 страниц машинописного текста, 52 рисунка и 17 таблиц.
