Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии

В работе представлены результаты применения метода спектральной интерферометрии оптического диапазона для измерения толщин тонких пленок. Аналитически и экспериментально проанализирован спектр суммарного излучения на выходе волоконно-оптического интерферометра Фабри–Перо, который формируется за счет...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Лукин, К.А., Татьянко, Д.Н., Пих, А.Б., Земляный, О.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2017
Schriftenreihe:	Радіофізика та електроніка
Schlagworte:	Прикладная радиофизика
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122659
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии / К.А. Лукин, Д.Н. Татьянко, А.Б. Пих, О.В. Земляный // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 8(22), № 1. — С. 77-85. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-122659
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1226592017-07-17T03:03:21Z Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии Лукин, К.А. Татьянко, Д.Н. Пих, А.Б. Земляный, О.В. Прикладная радиофизика В работе представлены результаты применения метода спектральной интерферометрии оптического диапазона для измерения толщин тонких пленок. Аналитически и экспериментально проанализирован спектр суммарного излучения на выходе волоконно-оптического интерферометра Фабри–Перо, который формируется за счет отражений широкополосного излучения от многослойных структур, в том числе и для частного случая двух отражений, когда объектом исследования являются тонкие пленки. Выделены информативные компоненты спектра, соответствующие расстояниям до отражающих поверхностей. Результаты экспериментов, которые проводились с использованием широкополосных светодиодных источников оптического излучения, находятся в полном соответствии с теоретическими выводами. Разработан программный инструментарий с графическим интерфейсом пользователя, предназначенный для обработки и визуализации данных, полученных экспериментально. Полученные в работе результаты позволят улучшить характеристики измерительного оборудования в медицине, профилометрии, а также создавать эталонные средства измерений в метрологии. У роботі представлені результати застосування методу спектральної інтерферометрії оптичного діапазону для вимірювання товщини тонких плівок. Аналітично та експериментально проаналізовано спектр сумарного випромінювання на виході волоконно-оптичного інтерферометра Фабрі–Перо, який формується за рахунок відбиттів широкосмугового випромінювання від багатошарових структур, в тому числі і для окремого випадку двох відбиттів, коли об’єктом дослідження є тонкі плівки. Виділено інформативні компоненти спектра, відповідні відстаням до поверхонь, що відбивають. Результати експериментів, які проводилися з використанням широкосмугових світлодіодних джерел оптичного випромінювання, перебувають у повній відповідності з результатами, отриманими теоретично. Розроблено програмний інструментарій з графічним інтерфейсом користувача, призначений для обробки і візуалізації отриманих експериментальних результатів. Результати, що були отримані в роботі, дозволять поліпшити характеристики вимірювального обладнання в медицині, профілометрії, а також створювати еталонні засоби вимірювальної техніки в метрології. The results of applying the method of spectral interferometry in optical band for measuring the thicknesses of thin films are presented in this paper. We have analyzed analytically and experimentally the spectrum of the total radiation at the output of the fiber optic Fabry-Perot interferometer which is formed by broadband light reflections from the multilayer structures, including the special case of two reflections when the object of study are the thin films. The spectrum informative components corresponding to the distances to the reflective surfaces have been obtained. The results of experiments conducted using broadband LED light sources of optical radiation are in full agreement with the results which were obtained theoretically. A software tool with a graphical user interface for processing and visualization of the experimental results has been developed. The obtained results will help improve the performance of the measuring equipment in medicine, profilometry, and create standards for metrology. 2017 Article Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии / К.А. Лукин, Д.Н. Татьянко, А.Б. Пих, О.В. Земляный // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 8(22), № 1. — С. 77-85. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122659 681.785.57 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Прикладная радиофизика Прикладная радиофизика
spellingShingle	Прикладная радиофизика Прикладная радиофизика Лукин, К.А. Татьянко, Д.Н. Пих, А.Б. Земляный, О.В. Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии Радіофізика та електроніка
description	В работе представлены результаты применения метода спектральной интерферометрии оптического диапазона для измерения толщин тонких пленок. Аналитически и экспериментально проанализирован спектр суммарного излучения на выходе волоконно-оптического интерферометра Фабри–Перо, который формируется за счет отражений широкополосного излучения от многослойных структур, в том числе и для частного случая двух отражений, когда объектом исследования являются тонкие пленки. Выделены информативные компоненты спектра, соответствующие расстояниям до отражающих поверхностей. Результаты экспериментов, которые проводились с использованием широкополосных светодиодных источников оптического излучения, находятся в полном соответствии с теоретическими выводами. Разработан программный инструментарий с графическим интерфейсом пользователя, предназначенный для обработки и визуализации данных, полученных экспериментально. Полученные в работе результаты позволят улучшить характеристики измерительного оборудования в медицине, профилометрии, а также создавать эталонные средства измерений в метрологии.
format	Article
author	Лукин, К.А. Татьянко, Д.Н. Пих, А.Б. Земляный, О.В.
author_facet	Лукин, К.А. Татьянко, Д.Н. Пих, А.Б. Земляный, О.В.
author_sort	Лукин, К.А.
title	Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии
title_short	Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии
title_full	Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии
title_fullStr	Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии
title_full_unstemmed	Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии
title_sort	измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Прикладная радиофизика
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122659
citation_txt	Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии / К.А. Лукин, Д.Н. Татьянко, А.Б. Пих, О.В. Земляный // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 8(22), № 1. — С. 77-85. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT lukinka izmerenietolŝinoptičeskiprozračnyhsloistyhstrukturmetodomspektralʹnojinterferometrii AT tatʹânkodn izmerenietolŝinoptičeskiprozračnyhsloistyhstrukturmetodomspektralʹnojinterferometrii AT pihab izmerenietolŝinoptičeskiprozračnyhsloistyhstrukturmetodomspektralʹnojinterferometrii AT zemlânyjov izmerenietolŝinoptičeskiprozračnyhsloistyhstrukturmetodomspektralʹnojinterferometrii
first_indexed	2025-07-08T22:09:23Z
last_indexed	2025-07-08T22:09:23Z
_version_	1837118967605362688
fulltext	ППРРИИККЛЛААДДННААЯЯ РРААДДИИООФФИИЗЗИИККАА ________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028−821X Радиофизика и электроника. 2017. Т. 8(22). № 1 © ИРЭ НАН Украины, 2017 УДК 681.785.57 К. А. Лукин, Д. Н. Татьянко, А. Б. Пих, О. В. Земляный Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: lukin.konstantin@gmail.com ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИН ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ СЛОИСТЫХ СТРУКТУР МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ В работе представлены результаты применения метода спектральной интерферометрии оптического диапазона для изме- рения толщин тонких пленок. Аналитически и экспериментально проанализирован спектр суммарного излучения на выходе воло- конно-оптического интерферометра Фабри–Перо, который формируется за счет отражений широкополосного излучения от много- слойных структур, в том числе и для частного случая двух отражений, когда объектом исследования являются тонкие пленки. Выделены информативные компоненты спектра, соответствующие расстояниям до отражающих поверхностей. Результаты экспе- риментов, которые проводились с использованием широкополосных светодиодных источников оптического излучения, находятся в полном соответствии с теоретическими выводами. Разработан программный инструментарий с графическим интерфейсом пользо- вателя, предназначенный для обработки и визуализации данных, полученных экспериментально. Полученные в работе результаты позволят улучшить характеристики измерительного оборудования в медицине, профилометрии, а также создавать эталонные средства измерений в метрологии. Ил. 5. Библиогр.: 19 назв. Ключевые слова: метод спектральной интерферометрии, двойной спектральный анализ, вторичный спектр, шумовая радиолокация, светодиод, тонкие пленки, волоконно-оптический интерферометр. В отделе нелинейной динамики элект- ронных систем Института радиофизики и элект- роники им. А. Я. Усикова НАН Украины интен- сивно развивается шумовая радарная технология в различных диапазонах частот электромагнитно- го спектра: от единиц гигагерц до инфракрасного и оптического диапазонов [1–4]. При этом в шумо- вых радарах и измерителях расстояний, основан- ных на применении широкополосных стационар- ных случайных сигналов, помимо основного мето- да – корреляционного приема отраженных сигна- лов [1, 3, 4], используется и метод спектральной интерферометрии (двойной спектральный анализ), который также пригоден для оценки расстояний до одного или нескольких отражателей [1–11]. Этот метод основан на линейном суммировании зонди- рующего и отраженных от целей (объектов) сигна- лов и извлечении информации о них из суммарно- го сигнала в частотной области [1–11]. Спектраль- ная интерферометрия лежит в основе разработки методов и приборов для измерения микро- расстояний, в том числе толщин тонких оптически прозрачных пленок и слоистых структур, также развиваемых в отделе нелинейной динамики элект- ронных систем [12–15]. При этом в качестве ис- точников оптического излучения используются сверхяркие светодиоды, что значительно снижает стоимость разрабатываемых приборов по сравне- нию с существующими приборами аналогичного назначения, например, низкокогерентными опти- ческими томографами, в которых применяются суперлюминесцентные диоды [16]. Целью исследований, представленных в данной работе, является развитие методов спек- тральной интерферометрии в оптическом диапа- зоне длин волн с применением двойного спект- рального анализа для измерения толщин оптиче- ски прозрачных слоистых структур и, в частнос- ти, толщин наборов оптически прозрачных пленок. 1. Метод спектральной интерферомет- рии (двойная спектральная обработка). В экс- периментах с использованием спектральной ин- терферометрии оптического диапазона, в которых в качестве регистрирующего устройства на выхо- де интерферометра используется спектрометр, для дальнейшего анализа доступен лишь спектр мощности выходного сигнала, который представ- ляет собой сумму отражений опорного сигнала от слоев исследуемой структуры. В данной работе представлены результаты по извлечению инфор- мации о расстояниях до слоев оптически про- зрачных пленок путем применения метода двой- ного спектрального анализа. Рассмотрим нормальное падение излуче- ния на оптически прозрачную структуру, которая состоит из слоев с N отражающими границами между слоями. При прохождении излучения че- рез такую структуру появляется N отраженных сигналов, каждый из которых запаздывает отно- сительно падающего излучения на время, про- порциональное расстоянию от точки входа излу- чения в структуру до отражающей границы. Ана- логичная модель рассмотрена в работе [5], где показано, что для случая, когда разность хода лучей при отражении излучения, представляюще- го собой узкополосный, стационарный, эргодиче- ский случайный процесс со спектром мощности ( ),ωxW от любой пары границ значительно боль- ше длины когерентности источника излучения, спектр мощности полного отраженного сигнала имеет следующий вид: ( ) ( ) ( )( ),cos 1 1 jk N k N j jkx qqWW ττωωω −= ∑∑ = = Σ (1) К. А. Лукин и др. / Изменение толщин оптически… _________________________________________________________________________________________________________________ 78 где ,kq ,jq kτ и jτ – коэффициенты отражения и полные времена прохождения излучения соот- ветственно для k-й и j-й границы; k и j – номера границы раздела пленок. Таким образом, спектр мощности полно- го отраженного сигнала в результате отражений сигнала от слоев исследуемой структуры, поме- щенной в измерительном плече интерферометра, приобретает периодическую неравномерность с частотами, определяемыми относительными раз- ностями задержек сигналов во времени. На этом физическом принципе и основан способ получе- ния информации о соответствующих этим за- держкам разностях путей прохождения до отра- жающих поверхностей с помощью вычисления преобразования Фурье (нахождение вторичного спектра) от функции, определяемой формулой (1). Это составляет суть метода спектральной интер- ферометрии (двойной спектральной обработки), основанного на явлении интерференции спектров стационарных случайных сигналов, которая наблюдается не в амплитудной (как в случае частично когерентных сигналов), а в частотной области. Впервые этот эффект в радиотехнике описан В. С. Троицким [17], а в более общей форме и применительно к задачам радиолокаци- онных измерений – Дж. Л. Пуарье [5]. Такая методика широко применяется в современной шумовой радиолокации. В работах [1, 2, 5, 10–15] рассмотрен способ построения шумового радиолокатора, в котором при опреде- лении координат цели применяются стационар- ные случайные сигналы и двойная спектральная обработка суммы излучаемого сигнала и сигнала, отраженного от цели. Известно [1, 5, 10], что при отражении стационарного случайного сигнала от одиночной точечной цели функция автокорреля- ции суммарного сигнала имеет вид: ( ) ( ) ( ) ( ),2 00 ττττττ −+++=Σ xxx RRRR (2) где ( )τxR – автокорреляционная функция опорно- го сигнала; 0τ – время распространения сигнала до цели и обратно. Для суммарного стационарного случай- ного сигнала с автокорреляционной функцией (2) в спектральной области наблюдается интерфе- ренция спектральных компонент при условии, что разность хода между опорным и отраженным сигналами значительно превышает длину коге- рентности: ,/ fclL c ∆=>∆ где minmax fff −=∆ – полоса частот сигнала. При этом форма усред- ненного спектра приобретает периодическую не- равномерность, шаг которой по частоте обратно пропорционален разности хода сигналов. При условии равенства амплитуд опорного и отра- женного сигналов такой спектр мощности опре- деляется следующим образом [5]: ( ) ( ) ( )[ ],cos12 0ωτωω +=Σ xWW (3) где ( )ωxW – спектр мощности опорного сигнала. Подробно этот эффект рассмотрен, например, в работах [1, 2, 5, 9–11, 17]. Рассмотрим теперь более общий случай, когда в измерительном плече интерферометра размещена слоистая структура, имеющая две от- ражающие поверхности. Обозначим коэффициен- ты отражения от границ «торец волокна – первая поверхность», «первая поверхность – вторая по- верхность», которые являются действительными числами, соответственно ,rq ,1q ,2q а времена распространения излучения от выходной аперту- ры источника до этих поверхностей обозначим соответственно ,rτ 1τ и .2τ Кроме того, полагаем, что затухание излучения при распространении внутри прозрачных слоев пренебрежимо мало. Тогда автокорреляционная функция сум- марного сигнала ( ) ( ) ( )dttxtx T R T T ττ −= ΣΣ ∞→ Σ ∫ * 0 1lim (4) на выходе рассматриваемого интерферометра, т. е. для случая суммирования трех случайных стаци- онарных сигналов, принимает следующий вид: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( ).21212121 222 111 2 2 2 1 2 ττττττ ττττττ ττττττ ττ +−+−++ ++−+−++ ++−+−++ +++=Σ xx rxrxr rxrxr xr RqqRqq RRqq RRqq RqqqR (5) Используя теорему Хинчина–Винера, получим спектр мощности суммарного сигнала с автокор- реляционной функцией (5): ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )( )],cos2 cos2cos2 [ 2121 2211 2 2 2 1 2 ττω ττωττω ωω −+ +−+−+ +++=Σ qq qqqq qqqWW rrrr rx (6) где ( )ωxW – спектр мощности излучаемого сигна- ла, то есть сигнала в опорном плече интерферо- метра. По временам распространения излучения ,rτ 1τ и 2τ можно однозначно рассчитать рас- стояние между торцом оптического волокна и каждой отражающей поверхностью. Таким образом, огибающая спектра мощ- ности ( )ωΣW суммарного сигнала на выходе интерферометра содержит гармонические состав- ляющие, в которых заключена информация о вза- имных задержках между суммируемыми сигна- лами, а также коэффициентах отражения от по- верхностей. Формальное рассмотрение спектра мощности ( )ωΣW как периодической функции аргумента ω позволяет определить периоды вхо- дящих в нее гармонических составляющих с по- К. А. Лукин и др. / Изменение толщин оптически… _________________________________________________________________________________________________________________ 79 мощью преобразования Фурье, получить инфор- мацию о временах распространения оптического излучения до слоев исследуемой структуры и, следовательно, измерить расстояния jL до отра- жающих поверхностей по формуле , 2n c L j j τ = (7) где n – показатель преломления вещества иссле- дуемой структуры. Процедура получения функ- циональной зависимости ( )ωΣW в виде электри- ческого сигнала без переноса спектра оптическо- го сигнала в основной диапазон частот описана в разд. 3. 2. Модель и численный эксперимент. Модель процессов отражения от слоев много- слойной структуры, помещенной в измерительное плечо волоконно-оптического интерферометра Фабри–Перо, выполнялась в программной среде пакета MATLAB. Реализации случайных сигналов рассчитывались по алгоритму MT19937, который встроен в программную библиотеку MATLAB и на сегодняшний день признан одним из лучших, так как превосходит по скорости многие стандартные генераторы псевдослучайных чисел, позволяет получать числовые последовательности с очень большим периодом и хорошими корреляционны- ми свойствами. Алгоритм, по которому проводи- лось моделирование, состоит из нескольких час- тей и включает в себя задание начального значе- ния для генератора и расчет ансамбля реализаций случайного процесса, задание параметров моде- лируемой структуры (показатель преломления для каждого слоя, геометрия расположения отра- жающих поверхностей). Разработанная програм- ма позволяет проводить моделирование для любого количества отражающих поверхностей. На рис. 1 показаны результаты моделирования для случаев, когда слоистая структура содержит два (рис. 1, а) и три (рис. 1, б) отражающих слоя. ___________________________________________ 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Вторичный спектр 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Вторичный спектр а) б) Рис. 1. Результат преобразования Фурье спектра мощности суммарного сигнала (результаты моделирования) при отражении опти- ческого излучения от слоистой структуры: а) для 2-х отражателей; б) для 3-х отражателей ___________________________________________ Картина расположения локальных мак- симумов на вторичных спектрах находится в полном соответствии с формулой (6). На графи- ках присутствуют отклики от каждого из отра- жающих слоев, а также их комбинационные со- ставляющие, расположение которых на вторич- ных спектрах в общем виде определяется разнос- тями ,kj ττ − где .,...2,1,0, Nkj = Присутствие комбинационных составляющих, количество ко- торых для общего случая N отражений равно ( ) ,2/1−NN затрудняет анализ картины отраже- ний, поскольку их появление во вторичных спект- рах может быть интерпретировано как отражение от несуществующего слоя. Возникновение этих дополнительных максимумов на комбинацион- ных частотах во вторичных спектрах является недостатком используемого метода обработки данных, приводящего к неоднозначности измере- ний. Одним из способов устранения этой неодно- значности является введение дополнительного запаздывания распространения оптического из- лучения в измерительном плече интерферометра. При этом максимумы, несущие полезную инфор- мацию, смещаются в высокочастотную часть вто- ричного спектра, не изменяя при этом своего вза- имного расположения, в то время как комбинаци- онные максимумы остаются в области нижних частот. При проведении эксперимента такое раз- деление может быть достигнуто расположением исследуемой структуры по отношению к торцу волокна на расстоянии, в несколько раз превы- шающем разность хода лучей между внешними отражающими поверхностями структуры. Анало- гичный способ разделения комбинационных со- ставляющих и информационных пиков путем Вторичный спектр 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Расстояние, отн. ед. Вторичный спектр 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Расстояние, отн. ед. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 К. А. Лукин и др. / Изменение толщин оптически… _________________________________________________________________________________________________________________ 80 введения дополнительной задержки в приемный канал предложен в работе [11]. 3. Экспериментальная установка и ре- зультаты измерений. При реализации экспери- ментальной установки для измерения толщины тонких пленок методом спектральной интерферо- метрии одной из важных задач был выбор широко- полосного источника оптического излучения [15]. Традиционно в устройствах для измерения рас- стояний данным методом применяются супер- люминесцентные диоды (СЛД), а также различ- ные виды ламп (вольфрам-галогеновые и кварце- вые лампы) [16, 18]. Это мощные широкополос- ные полупроводниковые источники оптического излучения, мощность которых соизмерима с мощностью лазеров, а ширина спектра приближа- ется к ширине спектра светодиодов. СЛД удовле- творяют требованиям, предъявляемым к измере- ниям методом спектральной интерферометрии, но являются дорогостоящими источниками. Развитие технологий изготовления со- временных сверхярких светодиодов приближает их характеристики к СЛД. Их мощность излуче- ния достигает мощности излучения СЛД, а ши- рина спектра превышает ширину спектра СЛД. Это позволило в качестве источника широкопо- лосного излучения в работе применить современ- ный сверхяркий светодиод. В качестве источника оптического излучения использовался недорогой светодиодный источник с оптоволоконным выво- дом HFBR-1414Z компании Avago Technologies, предназначенный для применения в оптических телекоммуникациях [13]. Структурная схема экс- периментальной установки показана на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема экспериментальной установки волоконно-оптического интерферометра для измерения тол- щины прозрачных тонких пленок. L1, n1 и L2, n2 – толщина и показатель преломления первой и второй пленок по ходу луча, соответственно. Линиями со стрелками показано направление распространения оптического излучения В основе экспериментальной установки лежит низкодобротный волоконно-оптический интерферометр Фабри–Перо, который формиру- ется частично отражающим торцом оптического волокна и поверхностями прижатых к нему ис- следуемых прозрачных пленок. Для измерения спектров оптического из- лучения на выходе интерферометра применялся спектрометр SP2-USB компании Thorlabs [19]. Его работа состоит в пространственном расщеп- лении оптического луча на спектральные компо- ненты с помощью дифракционной решетки и де- тектировании полученного таким способом излу- чения в фотодиодной линейке так, что интенсив- ность излучения каждой спектральной компонен- ты детектируется отдельным фотодиодом линей- ки с последующим преобразованием оптического излучения в электрический сигнал. В эксперименте в качестве образцов для исследования использовались слюдяные пленки разной толщины. Пленки плотно прижимались к торцу оптического волокна с помощью специаль- ного юстировочного крепежа. Излучение в интерферометр поступало от светодиодного источника через волоконно- оптический разветвитель, имеющий высокий уровень изоляции между полюсами («рукавами»), к которым подключены источник излучения и спектрометр. Излучение от светодиодного источника проходило через волоконно-оптический развет- витель, и часть излучения отражалась от границы торца оптического волокна, а часть выходила из волокна, отражалась от границы между двумя пленками, затем от второй поверхности второй пленки и направлялась обратно в оптическое во- локно. Толстыми линиями со стрелками на рис. 2 указано направление распространения лучей в оптическом волокне, а также в области «торец волокна – исследуемые пленки». Далее суммар- ное отраженное излучение направлялось через оптический разветвитель в спектрометр. В результате сложения излучения, час- тично отраженного от торца волокна и от поверх- ностей исследуемых пленок, наблюдалась интер- ференция суммарного излучения в спектральной области. При этом отражение от каждой поверх- ности пленок вносило свою составляющую в ре- зультирующий суммарный спектр. Преобразова- ние Фурье полученного таким образом спектра и знание показателей преломления сред распро- странения n1 и n2 (для слюды n1 = n2 = 1,56) дает представление о расстояниях L1 и L2 между по- верхностями пленок, т. е. об их толщинах. В действительности между исследуемы- ми пленками, а также между пленками и торцом оптического волокна существовал небольшой воздушный зазор, и оптическое излучение отра- L1 L2 n1 n2 Спектрометр Источник излучения Оптическое волокно Оптическое волокно Исследуемые пленки Волоконно- оптический разветвитель Исследуемые пленки К. А. Лукин и др. / Изменение толщин оптически… _________________________________________________________________________________________________________________ 81 жалось от границ «поверхность пленки – воздух» и «воздух – поверхность пленки». Но этот воз- душный зазор был настолько мал, что максиму- мы, соответствующие этим отражениям на вто- ричном спектре, сливались друг с другом, т. е. разрешающая способность применяемого изме- рительного оборудования не позволяла увидеть их раздельно. Для эффективной обработки эксперимен- тальных данных и визуализации результатов из- мерений была разработана программа графиче- ского интерфейса пользователя в среде MATLAB GUI. Внешний вид главного окна интерфейса представлен на рис. 3. На верхнем графике (рис. 3) отображает- ся спектр сигнала на выходе интерферометра. Непосредственно над графиком выводится имя считываемого файла. На нижнем графике выво- дится результат вычисления преобразования Фурье от функции, изображенной на графике сверху. По количеству локальных максимумов и их расположению на данном графике можно определить количество слоев (отражений) в ис- следуемой структуре и их толщину. ___________________________________________ Рис. 3. Общий вид окна графического интерфейса пользователя ___________________________________________ В работе использована версия графиче- ского интерфейса, которая требует предваритель- ной записи результатов эксперимента на диск компьютера в виде файла с массивами данных. В дальнейшем будет использована предусмот- ренная разработчиками программного обеспече- ния спектрометра возможность чтения выходных данных непосредственно из ОЗУ компьютера, что сделает возможным отображение результатов обработки в реальном масштабе времени и авто- матизацию процесса измерения расстояний до отражающих поверхностей предложенным методом. В исследованиях использовались наборы слюдяных пленок толщиной 48 и 28 мкм, а также 48 и 33 мкм. На спектрометре наблюдались спек- тры суммарного излучения, сформированного набором исследуемых пленок (рис. 4, а и 5, а). Их вторичные спектры показаны на рис. 4, б и 5, б. Спектры на рис. 4, а и 5, а имеют слож- ную форму, которая является суперпозицией спектров с многопериодической структурой, об- разованных в результате отражения от каждой поверхности. Спектры, образованные такими от- ражателями, представлены, например, в [13, 15]. По вторичным спектрам, полученным в результате преобразования Фурье, примененного к спектрам на рис. 4, а и 5, а, можно судить о структуре набора пленок и их толщине. К. А. Лукин и др. / Изменение толщин оптически… _________________________________________________________________________________________________________________ 82 Положения максимумов на результиру- ющих графиках вторичных спектров наборов пленок соответствуют расстоянию от торца опти- ческого волокна до поверхностей пленок, что позволяет определить толщину пленок и их рас- положение в многослойной структуре. ___________________________________________ а) б) Рис. 4. Спектр (а) и вторичный спектр (б) на выходе интерферометра, образованного набором пленок 48 и 28 мкм а) б) Рис. 5. Спектр (а) и вторичный спектр (б) на выходе интерферометра, образованного набором пленок 48 и 33 мкм ___________________________________________ Величина максимума на результирующих графиках вторичных спектров (рис. 4, б и 5, б), соответствующих дальней от торца волокна по- верхности второй пленки (по линии движения луча), превышает значение максимума, соответст- вующего отражению от границы первой и второй пленок. Это обусловлено тем, что пленки пропус- кают значительную часть оптического излучения. При этом дальняя поверхность второй пленки контактирует с поверхностью, прижимающей пленки к торцу волокна, и все излучение, про- шедшее первую и вторую пленки, отражается от границы «дальняя поверхность второй пленки – прижимающая поверхность». Таким образом, К. А. Лукин и др. / Изменение толщин оптически… _________________________________________________________________________________________________________________ 83 бóльшая часть излучения отражается от границы с этой поверхностью. В результате максимум (рис. 4, б и 5, б), связанный с дальней поверх- ностью второй пленки, более ярко выражен. На рассматриваемых вторичных спектрах наблюдается также максимум спектра, положение которого на оси расстояний соответствует разнос- ти между толщинами пленок. Физический смысл появления в спектре данного разностного спектра описан выше. Экспериментальная установка на рис. 2 состоит, по сути, из трех интерферометров: «торец волокна – граница первой и второй пле- нок»; «торец волокна – дальняя поверхность вто- рой пленки»; «ближняя поверхность второй пленки – дальняя поверхность второй пленки». Экспериментальные исследования показали, что коэффициент отражения от торца волокна мень- ше, чем от поверхностей пленок, поэтому резуль- тат спектральной интерференции интерферомет- ров, образованных с участием торца волокна, ме- нее выражен. Соответственно, ярче выражена составляющая спектра, образованная интерфе- ренцией от интерферометра «ближняя поверх- ность второй пленки – дальняя поверхность вто- рой пленки». Относительное значение границы довери- тельного интервала измерений толщин исследуе- мых наборов пленок (48 и 28 мкм; 48 и 33 мкм) при доверительной вероятности 0,95 составило 0,88 %, при этом абсолютное значение равно 0,17 мкм. Такой результат лучше точностных ха- рактеристик промышленно выпускаемых прибо- ров. Для сравнения можно привести пример оптического низкокогерентного томографа OPTOVUE RTVue-100 компании Optovue, Inc., на интернет-сайте которой приведены параметры данного прибора: разрешающая способность рав- на 5 мкм при глубине сканирования 2,0…2,3 мм. Выводы. Представленные в работе ре- зультаты показывают возможность измерения толщин тонких пленок методом спектральной интерферометрии в оптическом диапазоне с при- менением светодиодных источников оптического излучения. Аналитическими методами проанализи- рован вторичный спектр суммарного излучения на выходе волоконно-оптического интерферомет- ра Фабри–Перо при отражении от многослойных структур, в том числе для частного случая двух отражений, когда объектом исследования явля- ются тонкие пленки; выделены информативные компоненты спектра, соответствующие расстоя- ниям до отражающих поверхностей. Представлены результаты проведенных измерений толщин наборов из двух оптически прозрачных тонких пленок методом спектраль- ной интерферометрии с использованием широко- полосного светодиодного источника оптического излучения. Результат измерений имеет погреш- ность, сравнимую с погрешностью подобного измерительного оборудования (томографы, осно- ванные на оптической когерентности и т. п.): от- носительное значение границы доверительного интервала измерений при доверительной вероят- ности 0,95 составило 0,88 %, при этом абсолют- ное значение равно 0,17 мкм. Сравнительный анализ показал полное соответствие аналитических результатов, резуль- татов численного моделирования и эксперимен- тально полученных данных. В работе представлен разработанный ав- торами программный инструментарий с графиче- ским интерфейсом пользователя для обработки и визуализации полученных экспериментальных данных, который значительно упростил обработ- ку результатов эксперимента. Таким образом, в работе показан и обос- нован достаточно точный и недорогой способ измерения толщин оптически прозрачных слоис- тых структур и наборов тонких пленок. При этом вопрос измерения расстояния сводится к измере- нию частоты с заданной точностью. Данный подход пригоден для измерения нанорасстояний при использовании оптических спектрометров с более высокой разрешающей способностью. Библиографический список 1. Лукин К. А. Шумовая радарная технология. Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 1999. Т. 4, № 3. С. 105–111. 2. Lukin K. A. , Kulik V. V. , Mogyla A. A. Spectral interferom- etry method and autodyne (self-mixing) effect for noise radar applications. First International Workshop on the Noise Radar Technology: int. conf., (Yalta, 18–20 Sept. 2002): conf. proc. Yalta, Crimea, Ukraine, 2002. P. 179–186. 3. Lukin K. A. Noise Radar Technology: the principles and short overview. Applied Radio Electronics. 2005. vol. 4, no 1. P. 4–13. 4. Lukin K. A. Millimeter-Wave Band Noise Radar. Telecom- munications and Radio Engineering. 2009. vol. 68, N 14. Р. 1229–1255. 5. Poirier J. L. Quasi-monochromatic scattering and some pos- sible radar applications. Radio Science. 1968. vol. 3, N 9. P. 881–886. 6. Ефимов Б. П., Лукин К. А., Ракитянский В. А. О транс- формации спектра стохастических колебаний под дейст- вием отражений. Журнал технической физики. 1988. Т. 58, вып. 12. С. 2398–2400. 7. Залогин Н. Н., Калинкевич А. А., Кириллин К. Л., Кис- лов В. Я., О возможности измерения расстояния до шеро- ховатой поверхности методом спектрального анализа не- прерывного шумового сигнала. Радиотехника и электро- ника. 1990. Т. 35, № 3. С. 548–555. 8. Залогин Н. Н., Калинкевич А. А., Кириллин К. Л. Расчет соотношения сигнал/шум для радиолокационной станции, работающей по методу двойного спектрального анализа шумового сигнала. Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38, № 2. С. 278–286. 9. Кулик В. В., Лукин К. А., Ракитянский В. А. Модифика- ция метода двойной спектральной обработки шумовых сигналов. Украинский метрологический журнал. 1997. № 4. С. 28–32. К. А. Лукин и др. / Изменение толщин оптически… _________________________________________________________________________________________________________________ 84 10. Могила А. А., Лукин К. А., Кулик В. В. Статистическая погрешность измерения расстояния методом спектраль- ной интерферометрии. Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2000. Т. 5, № 1. С. 163–170. 11. Калинин В. И. Сверхширокополосная радиолокация с двойной спектральной обработкой шумових сигналов. Радиотехника. 2005. № 3. С. 25–35. 12. Lukin K. A., Machekhin Yu. P., Danailow M. B., and Tatyanko D. N. Application of the Spectral Interferometry Method for Micro- and Nanodistance Measurement. Telecommunications and Radio Engineering. 2011. vol. 70, N 17. P. 1579–1591. 13. Tatyanko D., Lukin K., Pikh A. Application of Optical Spectral Interferometry for Thin Film Thickness Measure- ment. 9th Int. Kharkiv Symp. on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'2016) (Kharkov, June 20–24, 2016). Kharkov, Ukraine, 2016. CD-ROM. Papers\Session F\F-7.pdf. 14. Lukin K. A., Danailow M. B., Machekhin Yu. P., and Tatyanko D. N. Nano-distance measurements using spectral interferometry based on light-emitting diodes. Applied Radio Electronics. 2013. vol. 12, N 1. P. 166–171. 15. Лукин К. А., Татьянко Д. Н., Земляный О. В., Пих А. Б. Измерение толщин тонких пленок методом спектральной интерферометрии. Прикладная радиоэлектроника. 2016. Т. 15, № 4. С. 350–354. 16. Hlubina P. Dispersive white-light spectral interferometry to measure distances and displacements. Optics Communications. 2002. vol. 212, Iss. 1–3. P. 65–70. 17. Троицкий В. С. Флюктуации в нагруженной линии. Жур- нал технической физики. 1955. Т. 25, № 8. С. 1426–1435. 18. Manojlović L. M. A simple white-light fiber-optic interfero- metric sensing system for absolute position measurement. Op- tics and Lasers in Engineering. 2010. vol. 48, N 4. P. 486– 490. 19. THORLABS. SP2-USB – USB 2.0 Spectrometer, 500–1000 nm Spectral Range. URL: https://www.thorlabs.com/ thorpro- duct.cfm?partnumber=SP2-USB&pn=SP2-USB#5675 REFERENCES 1. LUKIN, K. A., 1999. Noise radar technology. Radiofizika i elektronika. Kharkov. vol. 4, no. 3, pp. 105–111 (in Russian). 2. LUKIN, K. A., KULIK, V. V., MOGYLA, A. A., 2002. Spectral interferometry method and autodyne (self-mixing) effect for noise radar applications. First International Workshop on the Noise Radar Technology: conf. proc. Yalta, Crimea, Ukraine, Sept. 18–20. P. 179–186. 3. LUKIN, K. A., 2005. Noise Radar Technology: the principles and short overview. Applied Radio Electronics. vol. 4, no. 1, pp. 4–13. 4. LUKIN, K. A., 2009. Millimeter-Wave Band Noise Radar. Telecommunications and Radio Engineering. Vol. 68, no. 14, pp. 1229–1255. 5. POIRIER, J. L., 1968. Quasi-monochromatic scattering and some possible radar applications. Radio Science. vol. 3, no. 9, pp. 881–886. 6. EFIMOV, B. P., LUKIN, K. A., RAKITYANSKY, V. A., 1988. On the transformation of the spectrum of stochastic self- oscillations under the influence of reflections. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. vol. 58, no. 12, pp. 2398–2400 (in Russian). 7. ZALOGIN, N. N., KALINKEVICH, A. A., KIRILLIN, K. L., KISLOV, V. Ya., 1990. The possibility of measuring the distance to a rough surface by spectral analysis of continuous noise signal. Radiotekhnika i elektronika. vol. 35, no. 3, pp. 548–555 (in Russian). 8. ZALOGIN, N. N., KALINKEVICH, A. A., KIRILLIN, K. L., 1993. The calculation of signal-to-noise ratio for the radar, which uses the method of double spectral analysis of the noise signal. Radiotekhnika i elektronika. vol. 38, no. 2, pp. 278– 286 (in Russian). 9. KULIK, V. V., LUKIN, K. A., RAKITYANSKY, V. A., 1997. Modification of the method of double spectral processing of the noise signals. Ukrainskiy metrologicheskiy zhurnal. no. 4, pp. 28–32 (in Russian). 10. MOGYLA, A. A., LUKIN, K. A., KULIK, V. V., 2000. The statistical error of distance measurement by the spectral interferometry method. Radiofizika i elektronika. vol. 5, no. 1, pp. 163–170 (in Russian). 11. KALININ, V. I., 2005. Ultra wide band radiolocation with double spectral processing of noise signals. Radiotekhnika. no. 3, pp. 25–35 (in Russian). 12. LUKIN, K. A., MACHEKHIN, YU. P., DANAILOW, M. B., AND TATYANKO, D. N., 2011. Application of the Spectral Interferometry Method for Micro- and Nanodistance Measurement. Telecommunications and Radio Engineering. vol. 70, no. 17, pp. 1579–1591. 13. TATYANKO, D., LUKIN, K., PIKH, A., 2016. Application of Optical Spectral Interferometry for Thin Film Thickness Measurement. In: Ninth International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'2016) Kharkov, Ukraine, June 20–24. [CD]. Papers\Session F\F-7.pdf. 14. LUKIN, K. A., DANAILOW, M. B., MACHEKHIN, Yu. P. and TATYANKO, D. N., 2013. Nano-distance measurements using spectral interferometry based on light-emitting diodes. Applied Radio Electronics. vol. 12, no. 1, pp. 166–171. 15. LUKIN, K. A., TATYANKO, D. N., ZEMLYANIY, O. V., PIKH, A. B., 2016. Measuring the thickness of thin films by spectral interferometry method. Prikladnaya radioelektronika. vol. 15, no. 4, рр. 350–354 (in Russian). 16. HLUBINA, P., 2002. Dispersive white-light spectral interferometry to measure distances and displacements. Optics Communications. vol. 212, Iss. 1–3, pp. 65–70. 17. TROITSKY, V. S., 1955. Fluctuations in the loaded line. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. vol. 25, no. 8, pp. 1426–1435 (in Russian). 18. MANOJLOVIĆ, L. M., 2010. A simple white-light fiber-optic interferometric sensing system for absolute position measurement. Optics and Lasers in Engineering. vol. 48, no. 4, pp. 486–490. 19. THORLABS. SP2-USB – USB 2.0 Spectrometer, 500–1000 nm Spectral Range [online]. Available from: https://www.thorlabs.com/ thorproduct.cfm?partnumber=SP2- USB&pn=SP2-USB#5675 Рукопись поступила 14.12.2016. K. A. Lukin, D. N. Tatyanko, A. B. Pikh, O. V. Zemlyaniy MEASUREMENT OF THICKNESSES OF OPTICALLY TRANSPARENT LAYERED STRUCTURES BY THE SPECTRAL INTERFEROMETRY METHOD The results of applying the method of spectral interferometry in optical band for measuring the thicknesses of thin films are presented in this paper. We have analyzed analytically and experimentally the spectrum of the total radiation at the output of the fiber optic Fabry-Perot interferometer which is formed by broadband light reflections from the multilayer structures, including the special case of two reflections when the object of study are the thin films. The spectrum informative components corresponding to the distances to the reflective surfaces have been obtained. The results of experiments conducted using broadband LED light sources of optical radiation are in full agreement with the results which were obtained theoretically. A software tool with a graphical user interface for processing and visualization of the experimental results has been developed. The obtained results will help improve the performance of the https://www.thorlabs.com/%20thorpro-duct.cfm?partnumber=SP2-USB&pn=SP2-USB#5675 https://www.thorlabs.com/%20thorpro-duct.cfm?partnumber=SP2-USB&pn=SP2-USB#5675 https://www.thorlabs.com/%20thorproduct.cfm?partnumber=SP2-USB&pn=SP2-USB#5675 https://www.thorlabs.com/%20thorproduct.cfm?partnumber=SP2-USB&pn=SP2-USB#5675 К. А. Лукин и др. / Изменение толщин оптически… _________________________________________________________________________________________________________________ 85 measuring equipment in medicine, profilometry, and create standards for metrology. Key words: spectral interferometry method, double spectral analysis, secondary spectrum, noise radar technology, LED, thin films, fiber optic interferometer. К. О. Лукін, Д. М. Татьянко, А. Б. Піх, О. В. Земляний ВИМІРЮВАННЯ ТОВЩИН ОПТИЧНО ПРОЗОРИХ ШАРУВАТИХ СТРУКТУР МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОЇ ІНТЕРФЕРОМЕТРІЇ У роботі представлені результати застосування ме- тоду спектральної інтерферометрії оптичного діапазону для вимірювання товщини тонких плівок. Аналітично та експери- ментально проаналізовано спектр сумарного випромінювання на виході волоконно-оптичного інтерферометра Фабрі–Перо, який формується за рахунок відбиттів широкосмугового ви- промінювання від багатошарових структур, в тому числі і для окремого випадку двох відбиттів, коли об’єктом дослідження є тонкі плівки. Виділено інформативні компоненти спектра, відповідні відстаням до поверхонь, що відбивають. Результати експериментів, які проводилися з використанням широкосму- гових світлодіодних джерел оптичного випромінювання, пе- ребувають у повній відповідності з результатами, отриманими теоретично. Розроблено програмний інструментарій з графіч- ним інтерфейсом користувача, призначений для обробки і візуалізації отриманих експериментальних результатів. Результати, що були отримані в роботі, дозволять поліпшити характеристики вимірювального обладнання в медицині, профілометрії, а також створювати еталонні засоби вимірювальної техніки в метрології. Ключові слова: метод спектральної інтерферомет- рії, подвійний спектральний аналіз, вторинний спектр, шумо- ва радіолокація, світлодіод, тонкі плівки, волоконно-оптичний інтерферометр. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина

Измерение толщин оптически прозрачных слоистых структур методом спектральной интерферометрии

Institution

Ähnliche Einträge