Устройство для измерения механических напряжений в деталях, выполненных из оптически прозрачных материалов Советский патент 1991 года по МПК G01L1/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в кристаллических подложках и в эпитаксиальных структурах.

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

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

системы линз.

I

Устройство содержит ОКГ 1, оптическую систему с поляризатором 2, электрооптическим модулятором-компенсатором 3, на вход которого подается фазсодвигающее постоянное напряжение с наложенным на него напряжением модуляции, системой двух собирающих

ел

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

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок от оптического квантового генератора 1 попадает на поляризатор 2 и затем проходит че- рез модулятор-компенсатор 3, ориентированный так, что угол между наведенньми электрическим полем осями и осью поляризатора равен If/A. Далее световой пучок проходит через систему двух собирающих линз А, расстояние между которыми lfl равно

10 - fi Ч+ fe fcS/V1

где ft

и fn - фокальное расстояние первой и второй линз соответственно;

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

По формулам (3) и (1) проводится

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

(Фиг„2).

Сформированный гомоцентрический пучок проходит через образец 6, находящийся в фокусе пучка, через анализатор 5, ось которого составляет с осью поляризатора 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, даваемая образцом;АИ - разность фаз, даваемая

компенсатором; Дт- амплитуда модуляции; (О - частота модуляции. Электрический сигнал с ФЭРП поступает на вход селективного усилителя 8, который выделяет сигнал частоты модуляции. С выхода усилителя постоянный электрический сигнал, величина которого пропорциональна величине амплитуды I.,, поступает на самописец 9.

Механизм 5 перемещения продвигает образец в плоскости, перпендикулярной лучу, со скоростью 0,2-0,5 см/с вдоль линии, в каждой точке которой оси главных напряжений составляют с осью поляризатора угол н /А. На ленте самописца записывается величина амплитуды электрического сигнала U , cornответствугощего I/лИ равного

Um K«/sin(A0 + K)}

где К - коэффициент пропорциональности .

Так как знак электрического сигнала не зависит от знака &0, то для получения однозначного профиля Um необходимо установить Л fe &p

такое, что Л. р + &о ® или Р + + Д0 0 для любого участка образца. Поле ленты самописца перед измерениями калибруется по величине Д. благодаря линейной зависимости Л, от V, где величина постоянного электрического напряжения, подаваемого на модулятор-компенсатор о

Значение разности напряжений 6 О в любой точке можно получить гпо зависимости

Ьб

& 2V

Get

где t - толщина образца;

- длина волны используемого

излучения;

С - фотоупругая постоянная; U - разность фаз, возникшая при прохождении светового пучка через напряженный участок. Расстояние между линзами 1 выбирают из расчетного градуировочного графика зависимости этого расстояния от средней толщины образца, построенного на основе заданных показателя

516

преломления материала образца, длины волны используемого излучения и величины фокусных расстояний обеих линз (фиг. 2) „

В объектах, дающих малый набег разности фаз, зависимость IQ от напряжений близка к линейной, поэтому скорость измерений можно сущест- венно повысить, исполъзуя известное устройство, в сочетании с перемещением образца перпендикулярно лучу с постоянной скоростью при одновременной записи IQ. Полученную зависимость можно откалибровать и получить профиль напряжений по линии пересечения образца с лучом. Калибровку нужно проводить по известным значениям величины добавочной разности фаз, вносимой компенсатором, Такой подход должен дать значительно большую точность, чем при измерениях в отдельной точке с ошибкой, равной измеряемой величине. Необходимым условием использования перемещения является, неизменность угла между осями напряжений и осью поляризатора вдоль линии измерений (как указывалось выше, этот угол равен /|Г /4). К объектам,

удовлетворяющим этому условию, относятся пластины, вырезанные из кристаллов цилиндрической формы, выращенных в осесимметричном тепловом поле (например методом Чохральско- го). Если пластины вырезаны перпендикулярно оси выращивания, то присутствующие в них напряжения делятся на радиальные и тангенциальные, причем любой диаметр является лини- ей, вдоль которой направления осей напряжений не меняются. Такие пластины используются, в частности, в качестве подложек при получении эпи- таксиальных структур, их толщина сое- тавляет обычно 300-500 мкм. В подоб- ных объектах использование перемещения 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, определяется 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 отражения; п - показатель преломления

материала образца; DЈ - угол падения света на образец.

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

Используя 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 - угловая апертура гомоцентрического пучка.

Неплоскопараллельность образца вызывает колебания амплитуда которых определяется средней толщиной образца t0 и величиной /3 при заданных п и Д . Для любого значения t сущест вует значение величины , при котором амплитуда колебаний 1прош меньше десятых долей процента, при этом значения разнотолщинности пластин могут достигать величин более 10 мкм.

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

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

При решении уравнения (3) установлено, что минимумы колебаний достигаются 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 широкая область изменения толщины пластины, в которой амплитуда колебаний Ippow .меньше десятых долей процента, достигается при m 1, тогда

Им /Л- arcsinn|---(1 -

nt

о

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

0

5

0

5

0

ду которыми устанавливается до начала измерений по формуле (5), интенсивность светового пучка, попадающего в ФЭРП, определяется величиной амплитуды колебаний интенсивности, вызванных измерением толщины образца, и будет меньше десятых долей процента. Форма кривой, получаемой на ленте самописца, однозначно определяется изменением величины двулу- чепреломления образца. Формула изобретения

Устройство для измерения механических напряжений в деталях, выполненных из оптически прозрачных материалов, содержащее последовательно установленные на одной оптической оси источник светового излучения, поляризатор, электрооптический модулятор, анализатор и фотоэлектричест: кий регистрирующий прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения скорости и точности измерения в образцах, выполненных в виде пластин, в него введены оптическая система, выполненная в виде двух положительных линз, расположенных на одной оптической оси после модулятора механизм перемещения пластин в фокальной плоскости оптической системы, расположенный между оптической системой и анализатором, при этом апертура оптической системы соответствует

р. ю.й(, ,;

где п - показатель преломления измеряемой пластины; t - средняя.толщина измеряемой

пластины;

ft - длина волны светового излучения .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических напряжений в кристаллических подложках и эпитаксиальных структурах. Целью изобретения является повышение скорости и точности измерений в тонких пластинах оптически прозрачных материалов. Устройство содержит источник излучения, оптическую систему с расположенными на одной оптической оси поляризатором, электрическим модулятором - компенсатором, анализатором, фотоэлектрическим регистрирующим прибором, систему двух положительных линз, расположенных после компенсатора и механизмом перемещения пластин в фокальной плоскости системы линз, причем апертуру светового пучка, прошедшего через систему двух линз, рассчитывают по формуле. Р arcsin {«Г d -3 1 преломления где п и t0 - показатель преломления и средняя толщина измеряемой пластины соответст венно, a fl - длина волны излучения, прошедшего через пластину. 3 ил. С/ 05 ел

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, яки

Корректор Л. Пат аи