Г. Н. ВИШНЯКОВ
Всероссийский научно-исследовательский институт
оптико-физических измерений, Москва
методы и средства измерения оптических постоянных веществ
Рассмотрены методы и средства измерения оптических постоянных веществ – показателя преломления и коэффициента поглощения (экстинкции).
Большое количество существующих методов измерения оптических постоянных поглощающих веществ можно разделить на три основные группы: методы, в которых используются измерения коэффициента пропускания: методы, в которых используются измерения коэффициентов отражения и пропускания при нормальном падении; методы, основанные на измерениях параметров отраженного света при наклонном падении.
Измерения коэффициента пропускания являются наиболее распространенным видом оптических измерений, выполняемых с помощью спектрофотометров, регистрирующих спектры поглощения исследуемого вещества. Современные спектрофотометры имеют программное обеспечение для расчета оптических постоянных по спектрам поглощения, в том числе и при учете многократных отражений внутри слоя исследуемого вещества. Если с помощью спектрофотометра получить спектральную кривую коэффициента пропускания, то распределение и амплитуда интерференционных максимумов и минимумов будут однозначно определяться оптической толщиной пленки, т. е. ее геометрической толщиной и показателем преломления. Таким образом, метод позволяет определить не только толщину, но и комплексный показатель преломления пленки.
Хотя измерения коэффициента пропускания при нормальном падении являются наиболее распространенным видом оптических измерений на тонких пленках, измерения коэффициента отражения при нормальном падении более универсальны и могут быть выполнены с большей точностью. Измерения спектрального коэффициента отражения возможны как для прозрачных, так и поглощающих материалов в любой области спектра. Измерения коэффициента отражения при почти нормальном падении света имеет следующие преимущества: 1) анализ полученных данных относительно прост; 2) отражение в большинстве случаев нечувствительно к поляризации.
Приборы, реализующие этот метод, фактически также являются спектрофотометрами, но построенными по упрощенной оптической схеме. Для того чтобы отличать эти приборы от спектрофотометров их называют спектральными рефлектометрами. Для измерения оптических констант сильно поглощающих тонких пленок на прозрачной или слабопоглощающих подложках на практике необходимо измерить абсолютные значения коэффициентов пропускания и отражения при падении светового пучка на образец, близким к нормальному.
Измерения при наклонном падении света на образец можно разделить на две категории: 1) измерения, при которых определяется коэффициент отражения или отношение коэффициентов отражения для p и s-компонент поляризации; 2) измерения, в которых определяется только разность фаз между p и s-компонентами поляризации.
К методам измерений, при которых определяется коэффициент отражения, в первую очередь относится метод нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). В спектроскопии НПВО используется падение светового пучка на образец из оптически более плотной среды под углом больше критического, т. е. при условии полного внутреннего отражения Новым является только идея использования взаимодействия проникающего поля с оптически менее плотной средой для получения данных об ее спектре поглощения. В лабораторной практике также применяются методы и приборы, основанные на определении различными приемами критического угла или угла полной поляризации.
Измерения, в которых определяется только разность фаз между p и s-компонентами поляризации, т. е. эллипсометрические измерения, открывают большие возможности при проведении прецизионных измерений на тонких пленках и массивных образцах. Отличительная черта этих методов состоит в том, что измеряемой величиной является не интенсивность прошедшего или отраженного света, а разность фаз (эллипсометрический угол Дельта) и отношение амплитуд p и s-компонент поляризации (эллипсометрический угол Пси). Так как в этих приборах используются относительные измерения коэффициентов отражения, а не абсолютные, как в фотометрических приборах, то точность измерений оптических постоянных наивысшая. Именно эллипсометрический метод измерений оптических постоянных как массивных образцов, так и тонких пленок из поглощающих материалов был выбран при создании Государственного первичного эталона единицы комплексного показателя преломления. Во ВНИИОФИ были проведены испытания и достигнуты требуемые метрологические характеристики.
