ВСТАНОВЛЕННЯ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ ПОКАЗНИКА ПЕРЕЛОМЛЕННЯ ТВЕРДИХ ТІЛ - тема наукової
Ціна:
Автори роботи:
Науковий журнал:
Рік виходу:
Текст наукової статті на тему «УСТАНОВКА ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ ПОКАЗНИКА ПЕРЕЛОМЛЕННЯ ТВЕРДИХ ТІЛ»
ПРИЛАДИ ТА ТЕХНІКА ЕКСПЕРИМЕНТУ, 2010, № 1, с. 159-164
ВСТАНОВЛЕННЯ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРНОЇ ЗАЛЕЖНОСТІ ПОКАЗНИКА ПЕРЕЛОМЛЕННЯ ТВЕРДИХ ТІЛ
НДІ перспективних матеріалів та технологій МДІЕМ Україна, 115054, Москва, вул. Мала Піонерська, 12
Описується установка для вимірювання температурної залежності показника заломлення п(Т) напівпровідників та діелектриків у діапазоні температур 300-700 К на довжинах хвиль Не-№-лазера X = 0.633, 1.15 та 3.39 мкм. Зразки у вигляді плоскопаралельних пластин виконують роль еталонів Фабрі-Перо, оптична товщина яких змінюється з температурою. При нагріванні та подальшому охолодженні зразка реєструються інтерференційні осциляції інтенсивності відбитого світла, якими визначається залежність п(Т). Значення показника заломлення за кімнатної температури і коефіцієнта термічного розширення, що використовуються для обчислень, беруться з літератури. Порівняння інтерферограм, отриманих при нагріванні та охолодженні, дозволяє оцінити різницю температур зондованої ділянки зразка та вимірювальної термопари. Відносна похибка визначення термооптичного коефіцієнта йп/йТ у діапазоні 300-700 К не перевищує 1%.
Для температурних вимірювань у мікротехнології, мікроелектроніці та оптоелектроніці широко застосовуються лазерні методи, що ґрунтуються на використанні температурних залежностей показника заломлення п(Т) твердих тіл [1, 2]. Створено автоматизовані лазерні прилади для інтерференційної термометрії кристалів та скла при осадженні плівок та травленніструктур [3-5], для температурної діагностики мікроприладів [6, 7]
Однак у літературі відсутні дані багатьох матеріалів, у тому числі виготовляють підкладки, напівпровідникові лазери, інтегральні схеми. Хоча для ряду напівпровідників і діелектриків термооптичні коефіцієнти йп/йТ відомі, вони, як правило, виміряні поблизу кімнатної температури або усереднені по широкому температурному інтервалу [8, 9], тоді як реальні залежності п(Т) нелінійні. Крім того, у довідниках часто наводять дані щодо оптичних властивостей матеріалів для довжин хвиль, що не застосовуються в термометрії. Для точних вимірювань температури необхідно знати залежності п(Т) для лазерних ліній, які використовуються в експерименті, а вони відомі тільки для найбільш поширених матеріалів (81, Ое, ОаАз, 1пР, плавлений кварц) [10-12].
Вимірювання залежностей п(Т) або йп/йТ=/(Т) найчастіше проводять за мінімальним кутом відхилення світла в нагрівається призмі [13, 14], по інтерференції світла в плоскопаралельній пластинці, що нагрівається [10, 15], або по еліпсо-
метричним параметрам поверхні, що нагрівається [16, 17].
У цій роботі описано автоматизовану установку для вимірювання температурних залежностей показника заломлення напівпровідників і діелектриків методом інтерференції світла в прозорих плоскопаралельних пластинках. Обговорюється методика вимірювань та обчислень, а також процедура, що дозволяє експериментально оцінювати різницю температур термопари та ділянки зразка, що зондується.
Метод виміру залежності п(Т) заснований на тому, що плоскопаралельна платівка виконує роль резонатора Фабрі-Перо для випромінювання з довжиною хвилі в області прозорості матеріалу. При нагріванні змінюється оптична товщина пН (Н – геометричнатовщина) пластинки, при цьому реєструються осциль-
Мал. 1. Схема установки. 1 - лазер, 2 - світлодільник, 3 - зразок, 4 - алюмінієвий блок, що нагрівається, 5 - термопара, 6 - фотоприймач, 7 - комп'ютер.
/ 1 \ & gt; \ -«- А 3 1 4 £ \ 5
ції інтенсивності відбитого або світла, що проходить. Зрушення однією смугу інтерференції відповідає зміні оптичної товщини половину довжини хвилі: А(пк) = ^/2. Для безпримісних та слаболегованих монокристалів 81 область прозорості лежить при X > 1.1 мкм для ОАА при X > 0.9 мкм, для Ое у X > 1,8 мкм. Для кристалів з ширшою забороненою зоною (ОаР, ZnO, А1203, алмаз) короткохвильовий край області прозорості знаходиться у видимому або ультрафіолетовому діапазоні.
Схема установки показано на рис. 1. Джерелом зондуючого світла є гелій-неоновий лазер ЛГН-118-3В (НДІГРП "Плазма", Рязань), що випромінює світло з довжиною хвилі X = 0.633, 1.15 та 3.39 мкм. В експерименті використовується одна із трьох ліній. Потужність випромінювання лазера становить 5-10 мВт. Оптичний тракт складається з світлодільника, що збирає лінзи з фокусною відстанню 10 см та фотоприймача. Діаметр зондувального лазерного пучка на лицьовій поверхні зразка дорівнює
0.3 мм, при цьому для більшості зразків досягається високий контраст інтерференції (якщо 02-3 мм, то для деяких зразків з відхиленнями від плоскопаралельності інтерференція не спостерігається через компенсацію максимумів і мінімумів по перерізу пучка) [2].
Досліджувані зразки мають форму плоскопаралельних пластин розміром
5 х 5 мм2 і завтовшки до = 0.1-1 мм. Нагрівання зразка здійснюється через поверхню, яка знаходиться в тепловому контакті з нагрівачем. Нагрівач складається з джерела живлення, ніхромової спіралі та алюмінієвого.блоку, на плоскій поверхні якого за допомогою теплопровідного клею кріпиться зразок. Температура зразка вимірюється термопарою, підведеною до тильного боку зразка через отвір у тримачі і приклеєної до поверхні поблизу ділянки, зондованого лазерним пучком.
Відбите від зразка випромінювання з довжиною хвилі X = 0.633 мкм детектується кремнієвим фотодіодом ФД-25К, з X = 1.15 мкм - германієвим фотодіодом ФД-7Г, з X = 3.39 мкм - радіаційним термоелементом РТН-10Г. Усі елементи оптичної схеми закріплені на оптичній лаві, передбачено можливість юстування. Оскільки центри лазерних пучків з різними довжинами хвиль відстоять один від одного в площині фотоприймача на 2-3 мм, при роботі з випромінюванням і.к.-діапазо-на первинне юстування проводиться з використанням лінії видимого світла, після цього лазер переводиться в режим генерації і .к.-лінії, і здійснюється точне налаштування схеми максимуму сигналу фотоприймача. Режим відбиття світла застосовується з тієї причини, що при цьому мала постійна складова сигналу (порівняно з режимом пропускання).
Експеримент проводиться у повітрі при атмосферному тиску. Для виключення рефракції світла на конвективних потоках зондуючий лазерний пучок і утримувач зразка укладені в циліндричний кожух невеликого діаметру, що запобігає розвитку термогравітаційної нестійкості.
Для реєстрації інтерферограми включається нагрівання зразка. Показання термопари та фотоприймача обробляються за допомогою електронних модулів, що забезпечують оцифрування (з частотою до 100 Гц) сигналу, та реєструються комп'ютером.
Час нагрівання зразка від кімнатної температури до Т
600-650 К становить
30 хв, наступний час остигання до Т
60 хв.Для порівняння: час вирівнювання температури за товщиною зразка т
к2/к (тут - коефіцієнт температуропровідності) не перевищує по порядку величини 3-30 мс для тонких напівпровідникових (81, ОаАБ, ОаР, ZnO) і діелектричних (алмаз, сапфір, ніобат літію) монокристалів. Для зменшення теплових по-
терь із зовнішньої поверхні зразка після приклеювання зразка до тримача і термопари до зразка на тримач нагвинчується алюмінієва насадка довжиною 2 см з отвором (02 мм) для проходження світлового пучка, при цьому зразок виявляється укладений усередині масивного алюмінієвого блоку. Застосування блоку дозволяє підтримувати навколо зразка постійну температуру повітря, близьку до температури зразка.
Для реєстрації та обробки даних експерименту використовується спеціальна програма. Одночасно реєструються залежності від часу температури зразка Т(?) та інтенсивності відбитого світла Щ) як при нагріванні, так і при охолодженні зразка. Потім час виключається і за допомогою отриманої інтерферограми 1(Т) проводиться визначення шуканої залежності п(Т). На рис. 2 показані реєструються в експерименті залежності інтенсивності відбитого світла та термо-е.д.с. Іноді при нагріванні та охолодженні монокристалу ZnO. Там же показано залежність 1(Т).
Положення мінімумів відбиття світла відповідає умові:
пН = 0.5Хт (де т = 0, 1, 2, .). (1)
При нагріванні відбувається зсув інтерферограми на N смуг:
п(Т)Н(Т) - п(Т1)Н(Т1) = 0.5Х(т - т1) = 0.5ХЩТ). (2) У виразі (2) відомі значення п(Т1) і Н(Т1), а також довжина хвилі зондувального випромінювання X та температурна залежність товщини пластинки Н(Т), невідомою є залежність п(Т). Номер т1 приписуємо першому мінімуму інтерферограми, що досягається притемпературі Т1, номер т2 другий і т.д. Номером т позначимо останній мінімум, що досягається при температурі Т. Між першим та останнім мінімумами відбувся зсув інтерферограм-ми на N смуг. Визначивши експериментально температурну залежність числа інтерференційних смуг N(7), обчислюємо залежність, що шукається, п(Т):
п(Т) = [0.5^(Т) + п(Т1)Н(Т1)]/Н(Т). (3) Отримана залежність виводиться або у графічному вигляді, або у вигляді таблиці чисел, або у вигляді полінома заданого ступеня, коефіцієнти якого визначаються методом найменших квадратів. Для інтервалу температур 300-700 До експериментальні дані досить добре описуються поліномами 2-го або 3-го ступеня, тоді як застосування більш високих ступенів призводить до появи спокус
Для подальшого читання статті необхідно придбати повний текст. Статті надсилаються у форматіPDFна вказану при оплаті пошту. Термін доставки становитьменше 10 хвилин. Вартість однієї статті -150 рублів.
Подібні наукові роботи на тему «Фізика»
АМІРОВ І. І., КОСОЛАПІВ І. Н., КУПРІЯНОВ О. М., МАГУНОВ О. М., ПОСТНІКОВ О. В. — 2008 р.
БОДНАР І.Т. - 2009 р.
ЛАПШИНОВ Б.А., МАГУНОВ О.М., ПИЛЬНЄВ М.А. - 2014 р.
БОДНАР І.Т., КУЛЕШОВ Н.В., ЛЕОНЮК Н.І., МАЛЬЦЕВ В.В., ПИЛІПЕНКО О.В., ФІЛІПОВ В.В. - 2008 р.