Способ определения действительной части показателя преломления металла Советский патент 1985 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к технике измерения показателей преломления металлов и сплавов, и может быть использовано в оптической промышлен ности, лазерной технике, интегральн оптике, оптоэлектронике. Известен способ определения пока зателя преломления металла в оптической области спектра эллипсометри ческим методом ClJНедостатком этого способа является требование проведения измерений в сверхвысоком вакууме, посколь ку эллипсометрический метод очень чувствителен ко всякого рода загряз нениям поверхности. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения действительной части показателя преломления металла, основанный на взаимодействий светового пучка с металлом, путем нанесения на прозрачную подложку пленки металла толциной не менее в .. - . 250 А и измерения коэффициентов от ражения и пропускания р-поляризованного света при нескольких углах падения. При этом сверхвысокий вакуум не требуется, и метод мало чувствителен к состоянию поверхности пленки С2. Недостатком известного способа является большая неточность определения действительных частей показателей преломления металлов в той спектральной области, где эти величины малы, например, в ближней инфракрасной области, поскольку коэффициент отражения света от металла при малой действительной части показателя преломления определяется в первую очередь мнимой частью показателя преломления металла. Цель изобретения - повьвнение точности определения действительной части показателя преломления металла в спектральной области, где эта величина меньше одной десятой мнимо части показателя преломления. Поставленная цель достигается те что согласно способу определения {.;.«)Ki.ni«ai, . iV4| jftfl Ha фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для реализадействительной части показателя преломления металла, основанному на взаимодействии световог о пучка с металлом, для фиксированных частот указанной спектральной области на исследуемый металл наносят диэлектрический слой с показателем преломления ng и толщиной De , а затем диэлектрический слой с показателем преломления Пс, 7 п и толщиной DO, , причем показатели преломления диэлектрических слоев и толщина второго слоя для фиксированной частоты tti(j светового пучка выбраны из соотношения с - скорость света в вакууме; Кд, - мнимая часть показателя преломления металла, толщина второго слоя Ifg такова, что для нее выполняется соотношение затем через полученную структуру пропускают световой пучок с фиксированной частотой излучения, возбуждая в ней направляемую ТМ-моду, и измеряют интенсивность вьюедшего из структуры светового пучка, по которой определяют спектр пучка, измеряют полуширину of- спектра, а действительную часть показателя преломления металла Пд, определяют по формулеy V /j ии предлагаемого способа; на фиг.2асчетные спектральные зависимости J коэффициента затухания ТМ-моды четы рехслойного металло-диэлектрическог волновода ж(ы1 и величины 3t(uj)p( Устройство, реалнаующее предлага емый способ, содержит перестраиваемый источник 1 р-поляризованного света, призму 2 для возбуждения ТМмоды металло-диэлектрического волно вода, металло-диэлектрический волно вод 3, призму 4 для вывода излучени из волновода и регистрирующее устройство 5.. Способ определения п осуществляется следующим образом. На поверхность исследуемого мета ла наносят сперва диэлектрическую пленку с показателем преломления n И с толщиной Bfr , а затем диэлектрическую пленку с показателем преломления Па , причем По, TNj , и с толщиной Ьд . В качестве диэлектр ка нужно выбрать такой материал, у которого потери и дисперсия показателя преломления малые величины, на пример, высококачественные стекла. Толщина BB должна быть достаточно велика, чтобы осуществлялось слабо примешивание поверхностного п лазмона к направляемой ТМ-моде трехслойного волновода так, чтобы удовлетво рямосъ соотношение Р (и ехр (- И- п| Dg) . В случае совпадения показателей преломления ТМ-моды трехслойного диэлектрического волновода н поверх ностного плазмона в узкой области ю коэффициент затухания направляемой ТМ-моды четырехслойного металл лиэлектрического волновода at(w) имеет следующий вид: 3t(u,)ae,P(.).,, , где o постоянная величина, а между Пд и сл существует прямая пропорциональная зависимость, представленная формулой (2). Остальные величины, входящие в формулу (2), можно определить с высокой точностью. Таким образом, действительная часть показателя преломления может быть определена по измеренной полуширине функции ж- (w) p(u)) . Для этого световой пучок определенной нНтенсивности Зо(w) от перестраиваемо 694 го источника 1 направляют на призму 2, с помощью которой возбуждают ТМ-моду металло-диэлектрического волновода 3, с помощью призмы 4 выводят свет из волновода и измеряют интенсивность вышедшего пучка Л (tu) на регистрирующем устройстве 5. Затем рассчитывают значение функции аг.(и-1| (u)1 при заданной ю по формуле . Hp-V)-f L где U - расстояние между призмами. Изменяя длину волны источника света, получают спектр л(ш1р(и ) и определяют его полуширину rf . Предложенный способ наиболее удобен при малых значениях м , когда с также мало. Тогда с высокой точностью можно пренебречь дисперсией n,v в измеряемой спектральной области. Характерной для сЛ является величина -Д.,- , Например, для серебра при длине волны Л 1,5 мкм п„ 10, при этом, если в качестве первого диэлектрического слоя выбрать стекло с показателем преломления п 1,400, то для того, чтобы показатель преломления поверхностной плазменной волны совпадал с показателем преломления 0-й 1М-МОДЫ трехслойного диэлектрического волновода при частоте света 0) , параметры второго диэлектрического слоя должны быть следующие: 1,415 и Вс,5 мкм. Соответствующие рассчетные спектры величины at(w) и x(uj| при Dj 8 мкм РЫр,)- 10 ) показаны на фиг. 2. Поскольку между п и существует прямая пропорциональная зависимость, предложенный способ определения п при малых п выгодно отличается от метода, основанного йа измерении отражения и прохождения света для тонких пленок металла, при этом коэффициент отражения света от металла при малых п определяется в первую очередь мнимой частью показателя преломления металла. Ошибка определения действительной части показателя преломления при ее малых значениях у предложенного способа не превьш1ает нескольких процентов, в то время, как у известных способов ошибка достигает 50% и более.

Таким образом, по сравнению с известными способами предлагаемый способ измерения действительных .частей показателей преломления металла позволяет определить действительную часть показателя преломления металла с более высокой точностью в той спектральной области, где она мала, т.е. меньше одной десятой мнимой части показателя преломления, кроме того, отсутствует необходимость применения дорогостоящей и сложной в эксплуатации аппаратуры сверхвысокого ва- i куума.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ ЧАСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ МЕТАЛЛА, основанный на взаимодействии светового пучка с металлом, о тлячающийся тем, что, с це- лню повышения точности определения действительной части показателя преломления металла в спектральной области, где эта величина меньше одной де сятой мнимой части показателя преломления, для фиксированных частот аз, указанной спектральной области на исследуемый металл наносят диэлектрический слой с показателем преломления и толщиной Dg , а затем диэлектрический слой с показателем преломления и толщиной Dy , причем показатели преломления диэлектрических слоев и толщина второго слоя для фиксированной частоты светового пучка выбраны из соотношения .nPMl l . К--) . . НТКЧ ч LV а b / м d bJ /. где С- - скорость света в вакууме, Кд,- мнимая часть показателя преломления металла, а толщина второго слоя Dg такова, что для нее выполняется соотношение (Л 1 I ч«1, е,р. .l-n V затем через полученную структуру пропускают световой пучок с фиксированной частотой излучения, возбуж дая в ней направляемую ТМ-моду, и ел измеряют интенсивность вышедшего из структуры светового пучка, по кото00 Од рой определяют спектр этого пучка, измеряют полуширину с спектра, а со действительную часть показателя определяют преломления металла по формуле ( u) i -lfv.,.

tV