Способ определения фотоиндуцированного двулучепреломления в светочувствительной пленке Советский патент 1993 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к области обработки оптической информации и может быть использовано в материаловедении тонких пленок, поляризационной голографии и микроэлектронике.

Целью изобретения является обеспечение возможности определения величины векторного эффекта ФДв в фрторефрактив- ных пленках.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе определения ФДв в светочувствительной пленке путем облучения пленки непоглощаемым светом, промодули- рованным по поляризации с заданной частотой и измерения переменной составляющей пропускания AT синхронно на этой же частоте, согласно формуле изобретения, одновременно с переменной составляющей ДТ измеряют постоянную составляющую пропускания Т, а величину (nj,- пц) ФДв определяют из соотношения:

V г Ґкх

(ЕТ -СЕТ-А)2

где А 16n2S, С 2 (п2 - 1) (п2 - S2), Е (п + +1)3 (п + S2) + (п - 1)3 х (п - S2). Т Гц - Tj) - разность значений пропускания пучков света, имеющих поляризации II С и Ej.i(T, C- направление фотоиндуцированной оптической оси в пленке, совпадающее с направлением электрического вектора излучения, индуцировавшего двулучепреломление.

Т-(Гц + -TjJ/2,

где Я - длина волны промодулированного по поляризации света,

h - толщина пленки,

п - показатель преломления пленки до возникновения в ней фотоиндуцированного двулучепреломления,

S - показатель преломления прозрачной подложки (S 1,если пленка свободная).

Фиг.1-4 поясняют предлагаемый способ.

Способ основан на явлении многолучевой интерференции света в тонкой пленке. Как правило, для практических применений

м

ё

00

со ел ел

8

представляют интерес пленки, напыленные на прозрачные подложки. Рассмотрим случай прозрачной тонкой пленки на прозрачной подложке (фиг.1). Здесь цифрой 1 обозначен воздухе коэффициентом прелом- ления По 1, 2 - тонкая пленка толщиной h с коэффициентом преломления п, 3 - толстая подложка с коэффициентом преломления S. Пусть непоглощаемое монохроматическое излучение с постоянной длиной волны А падает на пленку нормально (для упрощения интерференционных формул). Пропускание Т такой системы описывается известной 1 формулой

лять значение п, которое пленка имела до возникновения фоторефракции.

Из-за скалярности эффекта фоторефракции (изменения показателя преломления в обеих поляризациях Ен и EJ. ) будет сильно изменяться величина рср , а также и sin рср и cos (pep. Поэтому для определения ФДв из формулы (3) необходимо кроме Тц - Ti знать также значения cos sin pcp. Эти величины можно определить, зная как изменяется в ходе нарастания фоторефракции скалярное пропускание Т (Тц ++TjJ/2. На основании формулы (1)легко получить выражение для cos p Ср и sirt p Ср:

Использование: изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано в материаловедении тонких пленок, голографии, микроэлектроники. Сущность изобретения: одновременно измеряют переменную и постоянную составляющие пропускания пленкой непоглощаемого излучения, промодулированного перед падением на пленку по поляризации с заданной частотой между значениями Е, С и Е, С, где С - направление фотоиндуциро- ванной оптической оси в пленке. Далее, используя расчетную формулу, вычисляют .величину фотоиндуцированного двулучеп- реломления. 4 ил.

.Т

В - С cos (p + D

(D

для пропусканий. ц и Tj. получим

где А.- 16 n2S, В (п + 1)3(п ч- S2). С 2(п2 , -1)(n2-S2),D (n-1)3(n-S2), р 4лпЬП. При подстановке в формулу (1) показателей преломления щ| и .соответствующих непоглощаемым пучкам света с электрическими векторами ЕИ и EI, соответственно,

Ти TJL

Ait

Bn-Ciicos f+ De Ai

Bl - Q COS (ft + Dj.

где An , AI, BII , Bi, Cu , Ci, DH ,.Dji и p, де,, Получаются -при подстановке в выражения для А, В, С, D значений nit и nj.соответственно. Для разницы Тц -Тх получается выражение в виде:

(2)

TII-TL

. H sinffcp

(Е-С COB (pep)2

(nil-nj); (3)

где H +1)3 (n

1287rVs(n2-1)(n2-S2),E (n-f S2) + (n - 1)3 (n - S2),

4rch (nn -f-ru)

ft.88./ i 2 ;

Поскольку наиболь-

шиё из известных значений фоторефракции не превосходят 0,1, а величина n обычно лежит в диапазоне 1.5...4, то с точностью 10% можно принять, чтозначения величин А, В, С, D не изменяются из-за фоторефракг ции. Изменение Т из формулы (1) происходит практически только из-за изменения величины р и cos p , соответственно. Для

пленок толщиной - мкм значение т

30 для видимого света, и поэтому функция cos у изменяется очень сильно (в диапазоне -1, +1) даже при такой малой фоторефракции, как 0,1. Таким образом, в формулу (3) в выражения для Н, Е, С можно подставЕТ-А

cos рср -g-j

sin р Ср vT - cos pcp

(4)

Окончательное выражение для пи - nj., следователь но, будет определяться не только Тц -Т1(анизотропией пропускания), но и Т (скалярным пропусканием):

П1-П1 - Ти-Тг. Я П1 47Th

( С Т Y - ( Е Т - А У

(5)

5

0

0

5

Таким образом, измерив одновременно кинетику анизотропии пропускания Тц - TI и скалярного пропускания Т, можно по формуле (5) вычислить величину ФДв в любой момент времени в ходе процесса одновременного возникновения ФДв и фоторефракции.

Покажем необходимость одновременности измерения переменной и постоянной составляющей пропускания при модуляции поляризаций непоглощаемого излучения с заданной частотой. Эта необходимость следует из того, что явления ФДв и фоторефракции в фоторефрактивных пленках возникают одновременно. Возникновение ФДв ведет к появлению анизотропии про- пускания AT, возникновение фоторефрак- ции - к изменению скалярного пропускания Т, т.е. измененикутропускания в обеих поляризациях §ц и EI . Сильная.фоторефрак- цкя ведет к тому, что nj.- пи и Тц - TI связаны не линейно, а более сложным образом в зависимости от фоторефракции, т,е. от Т.

Это рассуждение также поясняет необходимость измерения постоянной составляющей пропускания при модуляции состояния поляризации непоглощаемого

излучения с заданной частотой в фотореф- рэктивных пленках.

Связь между ФДв и переменной и постоянной составляющими пропускания в фоторефрактивных пленках установлена впервые.

Таким образом, все признаки необходимы, а вместе они достаточны для достижения цели изобретения.

Авторами впервые установлено новое свойство фоторефрактивных пленок: зависимость переменной составляющей пропускания AT от величины фоторефракции, т.е. от Т. Это обусловлено тем, что фоторефракция (изменение показателя преломления) приводит к изменению условий интерференции непоглощаемого излучения в пленке, что в свою очередь ведет к тому, что связь Т и гц. - пц становится существенно нелинейной и для нахождения гц.- пм необ- ходимо измерять не только AT, но и Т, причем в один и тот же момент времени облучения пленки.

Пример конкретного осуществления способа.

Заявляемый способ был нами реализован при определении кинетики ФДв в области прозрачности пленок стеклообразного полупроводника состава Аз2$з, приготовленных методом термического испарения в вакууме. Пленки As2Sa, приготовленные таким методом, отличаются от пленок того же состава, приготовленных методом высокочастотного ионно-плазменного распыления (и использованных в 2 в качестве конкрет- ного примера) тем, что в них имеет место сильный эффект фоторефракции ( 0,1). На фиг.2 представлена схема эксперимента, в котором была определена кинетика возникновения ФДв. ФДв в пленке возникало в результате облучения их линейно поляризованным излучением аргонового Аг+ лазера ( А 488 нм), имеющего заданное направление электрического вектора Е. Коэффициент поглощения этого излучения был 104 . Одновременно с этим пленка облучалась линейно поляризованным непоглощаемым пленкой излучением He-Ne-лазера ( А 633 нм), промодулированнымino поляризации между значениями Еп II EJH Ej.lE. Прошедшее через пленку излучение He-Ne- лазера попадало на фотоприемник (Ф). электрический сигнал с которого поступал в схему регистрации (СР), Эта схема позволяла измерять переменную и постоянную со- ставляющие пропускания.

На фиг.З представлены экспериментально одновременно измеренные величины AT и Т на длине волны He-Ne-лазера в пленке толщины 2 мкм при одновременном облучении пленки излучением Аг лазера с плотностью мощности 30 мВт/см . Эти данные позволили определить кинетику нарастания ФДв в этой пленке (фиг.4).

Таким образом, как видно на фиг.З, предлагаемый способ, в отличие от прототипа, позволяет определить величину ФДв в фоторефрактивной пленке.

Способ может найти применение для отбора необходимых сред, использующихся в устройствах для побитовой и голографиче- ской записи оптической информации.

Формула изобретения

Способ определения фотоиндуциро- ванного двулучепреломления в светочувствительной пленке, включающий облучение пленки, нанесенной на подложку, непоглощаемым светом, промодулированным по поляризации с заданной частотой, и синхронное измерение переменной составляющей пропускания AT на этой же частоте, о т- личающийся тем, что, с целью обеспечения возможности определения двулучепреломления в фоторефрактивной пленке, одновременно с переменной составляющей AT измеряют постоянную составляющую пропускания Т, а величину фотоиндуциро- ванного двулучепреломления nj. - пц определяют из соотношения: AT А

А

Ху(СТ)2-(СТ-А)2

гдеА 16п25;

С 2 (п2 -1) (n2 - S2);

Е - (п + 1)3 (п + S2) + (п - 1) (п - S2); А Т (Гц - TL ) - разность значений пропускания пучкод света, имеющих поляризации ц II Си EI 1 б, М - направление фотоиндуцированной оптической оси в пленке, совпадающее с направлением электрического вектора излучения, индуцировавшего двулучепреломления;

T (f ii + Tj.) /2;

А - длина волны .промодулированного по поляризации света;

h - толщина пленки;

п - показатель преломления пленки до возникновения в ней фотоиндуцированного двулучепреломления;

S - показатель преломления прозрачной подложки.

ФШГЈ

i

з 4 s. Utfi

i-io

:2

i 2

i v s ЈЈ

Л,

я

i;tf

.-

.