Введение к работе
Актуальность темы. Исследования физико-химических, в том -їсле оптических свойств поверхности твердых тел требуют разра-)тки и дальнейшего развития теоретической и методической базы местных нераэрушавщих поляризационно-оптических методов. Ин-эрпретация экспериментальных результатов, полученных при от-іжении поляризованного света от поверхности,должна учитывать ; реальные свойства: неоднородность строения, анизотропию,ше-іховатость, пористость и т.п. Эта задача является самостоятель->й научной проблемой, решение которой обеспечит выполнение ря-[ практических задач по контролю и прогнозированию свойств по-(рхности с целью получения оптических деталей с малыми потеря-і на отражение, пропускание, рассеяние и более стойких к раз-ічньїм физико-химическим воздействиям. При этом исключается прощение дорогостоящих натурных испытаний разрушающими методами.
Прикладной характер данной проблемы обусловлен все большим .звитием оптического материаловедения для нужд лазерной и косовской техники, а такке волоконной, интегральной, градиентной, нтгеновской и других областей оптики, где используются элемен-: с развитой поверхностью или рабочей зоной которых являются дифицированные поверхностные слои (МПС).
Вопрос о механизмах формирования МПС на различных этапах хнологической обработки и степень их влияния на отражение, опускание, механическую и оптическую прочность, химическую ус-йчивость является дискуссионным. На практике установлено, что нтроль качества обработки поверхности лишь чисто визуальным особом и по геометрическим лараметрам является недостаточным я получения поверхностей с минимальными потерями на отражение повышенной оптической и химической стойкостью. Контролировать обходимо и физико-химические свойства, в частности, их опти-зкие характеристики, такие как показатели преломления, погло-гіия и их распределение по глубине слоя, высокочастотные по-рхностные проводимость и поляризуемость субтонких проводящих эев, а также структурные параметры, такие как среднеквадрати-ую шероховатость, длину пространственной корреляции, глубину диаметр пор, искусственно создаваемых на поверхности. Иссле-
дованию разнообразных аспектов этой проблемы были посвящены работы автора, результаты которых систематизируются в диссертации.
Основная цель работы заключалась в разработке единого методологического подхода к решению задач об отражении поляризованного света от неоднородных поверхностных слоев с учетом их реального строения, а именно:
-
Создание методических основ эллипсометрических методов, базирующихся на анализе изменения состояния поляризации светового пучка при отражении от неоднородных, шероховатых, пористых и проводящих поверхностей. Выполнение на этой основе широкого и детального исследования модифицированных поверхностных слоев оптических материалов с учетом технологических особенностей и предыстории их обработки.
-
Поиск основных теоретических и экспериментальных закономерностей изменения поляризационно-оптических характеристик поверхностных слоев, модифицированных в процессе технологической обработки и эксплуатации оптических материалов.
-
Разработка на основании выявленных закономерностей количественных методов определения вида оптического профиля, толщины неоднородных поверхностных слоев, высокочастотной проводимости и поляризуемости субтонких проводящих слоев, структурных параметров поверхности с глубокими порами, среднеквадратичной высоты шероховатости и длины пространственной корреляции для случайного распределения шероховатости на любой подложке с учетом окисных пленок и поверхностных слоев.
-
Выяснение механизмов формирования поверхностных слоев как при полировании, выщелачивании силикатных стекол, так и при образовании волноводных слоев для ряда фторсодержащих силикатных стекол в зависимости от условий хранения и обработки.
-
Выявление корреляционных связей между оптическими характеристиками поверхностных слоев и потерями излучения на отражение и пропускание на оптических элементах.
-
Использование теоретических и экспериментальных результатов в производстве и изготовлении оптических элементов.
Научная новизна. Большая часть задач, включенных в диссертацию, была поставлена и решена впервые, а именно:
-
Получено уравнение эллипсометрии для неоднородных и отропных ПС, позволившее, с одной стороны, обобщить резу-,ты существующих теорий отражения поляризованного света в ах приближений Друде и Борна, а с другой сторо'ны, получить ные для практического применения аналитические формулы в ах борновского приближения для некоторых частных видов оп-ского профиля для решения обратной задачи эллипсометрии.
-
Изучены основные закономерности изменения поляриэаци-х свойств от вида и изменения профиля показателя преломле-поверхностного слоя и на базе этих закономерностей разра-чы методы эллипсометрического анализа неоднородных ПС.
-
Получено точное решение волнового уравнения в случае эненциального асимптотического профиля диэлектрической щаемости поверхностного слоя для произвольного угла паде-
; учетом поляризации световой волны и разработаны количестве методы определения оптических характеристик уплотненных уплотненных МПС.
4. Аналитически решена обратная задача эллипсометрии для
)нких проводящих или слабополяриэуемых ПС в рамках квази-
юкопического подхода и на ее основе разработан количест
ве метод определения световой поверхностной проводимости и
шзуемости субтонких проводящих поверхностных слоев и пле-
5. Решена задача об отражении когерентного поляризованно-
іета от шероховатых поверхностей для произвольных статиче-
моделей неровностей на любой подложке. Это позволило, с
: стороны, установить основные закономерности изменения іизационньїх свойств шероховатой поверхности и, с другой ны, разработать количественный метод оценки параметров оватости диэлектрических и металлических поверхностей меряемым поляризационным характеристикам отраженного
6. Разработан метод эффективных граничных условий, заме-
й более сложный аппарат при решении задачи о прохождении
ромагнитных волн. В рамках этого метода впервые решена
а об отражении света с учетом дифракции от поверхностей бокими регулярными порами, которые рассматриваются как бразные волноводы, соединенные боковыми сторонами. Уста-
новлена функциональная связь между коэффициентами отражения и геометрическими параметрами глубокого микрорельефа,объясняющая минимальное отражение в широком спектральном диапазоне.
-
Проведено комплексное исследование различными независимыми методами оптических и концентрационных характеристик-ПС ряда силикатных стекол при различных физико-химических воздействиях на поверхность.
-
Экспериментально обнаружена основная закономерность изменения оптических характеристик МПС химически стойких стекол
в зависимости от технологических параметров обработки в нейтральной среде (времени, глубины съема материала, абразива, давления, температуры и т.д.), состоящая в приближении показателя преломления к объемному значению сверху,а толщины ПС к минимальному постоянному значению на завершающей стадии полирования. При этом потери излучения на отражение уменьшаются.
9. Экспериментально установлена основная закономерность
изменения оптических характеристик МПС при выщелачивании сили
катных стекол. Эти изменения состоят из участка нестационарногс
выщелачивания исходной поверхности и участка стационарного вы
щелачивания самого стекла. При этом для свинцовосиликатных сте
кол на участке нестационарного выщелачивания характерно появле
ние слоя с показателем преломления большим, чем в объеме стек
ла, а на участке стационарного выщелачивания - появление слоя
с меньшим показателем преломления, чем в объеме стекла. Длительность процесса нестационарного выщелачивания.определяется исходным состоянием поверхности стекла, его химической устойчивостью и условиями выщелачивания.
10. С помощью комплекса методов установлен факт внедрения
частиц абразива или продуктов его разрушения в ПС обрабатыва
емой детали. В известных теоретических работах этот факт не
учитывался. Несомненно, что для процессов полирования обнару
женный эффект не может быть несущественным - он должен быть
учтен наряду с прочими физико-химическими взаимодействиями.
Можно надеяться, что учет этого фактора позволит более по, но представить тонкие детали процессов полирования.
11. Опытным путем выявлена закономерность изменения свето
вой поверхностной проводимости и поляризуемости субтонкого ело.
на поверхности кварцевого сгзкла в зависимости от энергии облу
їєния ионами Аг4, состоящая в увеличении поверхностной проводимости и поляризуемости слоя до энергии Е =0,75 кэВ, вызванного появлением зарядовых дефектов в стекле и уменьшением их при энергии 0,75-1,5 кэВ.что обусловлено радиационно стимулированным отжигом этих дефектов.
-
Предложен возможный механизм формирования модифицированного слоя при ионно-плазменном распылении силикатного сте-' кла ионами Аг+, состоящий в появлении субтонкого елабополяри-зуемого слоя на поверхности стекла, поглощающего энергию излучения в области ВУФ.
-
Предложен способ определения трещиноватого слоя на голированной поверхности кварцевого стекла методом ИК-эллип-;ометрии.
-
Предложен гидролизный механизм формирования градиентных волноводных слоев для ряда фтореодержащих силикатных стекол, обусловленный взаимодействием фторидных единиц стекла с зодой и установлено влияние свойств волноводных слоев на химическую устойчивость стекол.
-
Разработан способ просветления хальяогенидных стекол в области 5-15 мкм путем создания на поверхности стекла глу-Эокого регулярного микрорельефа.
Новым научным направлением в оптике является
развитый в работе единый методологический подход к решению за-а,ач о взаимодействии поляризованного света с модифицированными поверхностными слоями, в том числе с глубоким микрорельефом, позволяющий исследовать закономерности изменения физико-кимических свойств в зависимости от механизмов формирования товерхности.
Практическая ценность полученных результатов состоит в георетическом обосновании и практическом развитии поляризаци-энно-оптических методов исследования свойств поверхности оптических материалов, а также в возможности экспрессного контроля качества обработки поверхности.
Полученные.в работе теоретические и экспериментальные закономерности изменения оптических характеристик модифицированных ПС и возможности их контроля открывают путь к усовершенствованию технологии обработки оптических материалов.
Это, в свою очередь, создает предпосылки для прогнозирова-
ния уменьшения потерь излучения на отражение и пропускание оптических элементов.
Наиболее перспективным в практическом отношении является изучение оптических эффектов при отражении света от поверхности с глубоким микрорельефом, размеры которого в поперечнике сопоставимы с длиной световой волны. Такая поверхность может быть как антиотражакщей в широкой области спектра, так и при условиях волноводного резонанса может отражать свет определенной длины волны, т.е. служить избирательным фильтром.
Работа выполнялась в рамках плановых научно-исследовательских работ ГОИ им.С.И.Вавилова, Комплексной программы развития производства оптических сред на І98І-І985гг. и до 1995г., утвержденной Министерством и направлена на решение важной народнохозяйственной проблемы 0.72.04 по Постановлению ГКНТ и Президиума АН СССР от 10.II.85 №573/137 (задание 05І5Ю.
Теоретические разработки и полученные результаты нашли применение на ряде предприятий, что подтверждается актами внедрения, приведенных в Приложении к диссертации.
Полученные теоретические и экспериментальные результаты позволили сформулировать следующие защищаемые положения:
-
Новый методологический подход к решению задачи об отражении поляризованного света от неоднородных и анизотропных поверхностных слоев, основанный на решении волновых уравнений Максвелла методом возмущений с использованием в качестве малого параметра отклонение среднеинтегрального значения диэлектрической проницаемости от объемного значения.
-
Точное решение волновых уравнений для экспоненциального асимптотического профиля диэлектрической проницаемости при произвольных углах падения и поляризации падающей световой волны на основе использования чрезвычайно быстро сходящихся рядов.
-
Решение задачи об отражении поляризованного света от шероховатой поверхности. При этом шероховатая поверхность рассматривается как реализация случайного процесса, что является наиболее общим подходом к данной проблеме. Впервые получены фазовые соотношения для р- us -компонент зеркально отраженной составляющей.
4. Аналитическое решение обратной задачи эллипсометрии для определения световой поверхностной проводимости и поляри-
зуемости субтонких проводящих или слабополяризуемых поверхностных слоев.
-
Приближенные решения задачи об отражении света от поверхности с глубоким регулярным микрорельефом путем использования эффективных пристеночных граничных условий. Это решение объясняет минимальное отражение и высокое пропускание в широком спектральном диапазоне.
-
Обобщение результатов комплексного исследования оптических и концентрационных свойств поверхностных слоев оптических материалов на различных стадиях технологического процесса модификации поверхности для создания элементов с минимальными потерями излучения на отражение и пропускание.
-
Обоснование гидролизного механизма формирования волно-водных слоев для ряда фторсодержащих силикатных стекол, обусловленного взаимодействием фторидных структурных единиц стекла с водой в процессе их обработки, хранения и эксплуатации.
-
Способ просветления халькогенидного стекла путем создания на его поверхности глубокого регулярного микрорельефа, увеличивающего пропускание на 18-20 % для области спектра 5-15 мкм. На способ получено авторское свидетельство № 1725542 от 8 декабря 1991 г.
Апробация работы и публикации
Основные результаты работы докладывались на четырех Всесоюзных конференциях по эллипсометрии (Новосибирск 1977,1981, 1985,1989 гг.), на ІУ Всесоюзной конференции по поверхностным силам (Москва 1979г.), на Q и 11 Всесоюзной школе по физике,химии и механике поверхности (Черноголовка 1979г.), на 1У,У,У1 Всесоюзных конференциях по кварцевому стеклу (Ленинград 1979, 1981,1985гг.), на ІУ Всесоюзном симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел - "РЭМ 84" (Звенигород 1984г.), на IX Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Минск 1981г., на УП и УШ Всесоюзных сове-цаниях по физике поверхностных явлений в полупроводниках (Киев 1983г., Ташкент 1984г.), на УШ Всесоюзном симпозиуме по чеханоэмиссии и механохимии твердых тел (Таллин 1981г.), на П этраслевой конференции по химически нестойким стеклам (Москва 1985г.), на УП Всесоюзном симпозиуме по оптическим и спектра-
льным свойствам стекол (Рига,1986г.), на УШ Всесоюзной конференции по стеклообразному состоянию (Ленинград,1986г.), на I Всесоюзной конференции "Диагностика поверхности" (Каунас,1986г) Основные результаты диссертации изложены в 30 печатных работах, в книге Пшеккцын В.И., Абаев Ы.И., Лыэлов Н.Ю. "Эллип-сометрия в физико-химических исследованиях" Изд.Химия, Ленинград, 1986г., с.152 (в І-Ш главах), в ХП главе монографии Б.В. Иоффе "Рефрактометрические методы в химии", Ленинград, изд. Химия, 1984г.,350&, в статье В.И.Пшеницына, А.В.Мишина Применение эллипсометрии и оже-спекгроскошш для изучения поверхностных слоев стекла, с.261-276, в сб.Физика и химия силикатов под ред.акад.М.М.Щульца, Л.,изд-во Наука, 1987, 277с. Полный список работ приведен в конце диссертации.
Личный вклад автора состоял в идейной постановке теоретических и экспериментальных исследований, . в разработке теоретических и методических вопросов, в проведении экспериментальных работ, в написании статей и книги, в анализе результатов и обосновании основных выводов и защищаемых положений.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из предисловия, шести глав, заключения, приложения, списка литературы (133наименований). Содержит 264 страниц машинописного текста, включает 39 рисунков, 20 таблиц .
