27. Фурье спектрометры

Схема Фурье-спектрометра

1 - объектив; 2 - диафрагма; 3 - коллиматор; 4 - светоделит пластина; 5 - интерферометр Майкельсона; 6 - объектив; 7 - фотоприёмник; 8 - усилитель перемен тока; 9 - синхронный детектор; 10 - фильтр нч;

11 - регистратор; 12 - привод; 13 - интерферограмма; 14 – спектрограмма

Фурье-спектрометр регистрирует одновременно весь спектр, ограниченный лишь спектр чувствительн приёмника излучения. Разложение потока по спектру основано на методе селективной частотной модуляции различных спектральных составляющих этого потока, преобразовании частотно-модулированного оптического сигнала в электрический и применении дискретного Фурье-преобразования при обработке электрического сигнала фотопреобразователя.

Излучение от исследуемого объекта фокусируется объективом 1 в плоскости диафрагмы 2 и затем коллимируется объективом 3. Параллельный пучок лучей проходит светоделительную 4 и компенсирующую 4' пластины интерферометра Майкельсона 5. Отражённые от неподвижного З1 и подвижного З2 зеркал лучи собираются объективом 6 в плоскости фотоприёмника 7. Приёмно-усилительное устройство 7-11 фиксирует только переменную составляющую потока, представляющую собой преобразование Фурье для спектрального распределения яркости объекта по закону косинуса, т.е. интерферограмму 13. Последняя представляет собой зависимость изменения сложного электрического сигнала I от разности хода S. Привод 12 осуществляет параллельное перемещение подвижного зеркала интерферометра с постоянной скоростью v. При этом разность хода S между двумя интерферируемыми в плоскости фотопреобразователя лучами будет меняться по закону S=2vt. Интерферируемый световой поток можно записать как

E²=E²₁ + E²₂ +2E₁E₂cosили I=I_О(1+cos) , где - разность фаз лучей,

Изменение разности хода приведёт к периодическому изменению величины светового потока, падающего на фотопреобразователь 7, для каждой отдельной монохроматической составляющей с определённой частотой f_мод. Электрический сигнал фотопреобразователя будет промодулирован набором (спектром) частот f_мод(), зависящим от спектрального состава анализируемого излучения.

Частота же модуляции для разных длин волн различна. Такая интерферограмма обрабатывается на ЭВМ, в результате чего получается спектрограмма 14, определяющая зависимость спектральной яркости объекта от длины волны.

Разрешающая способность определяется максимальной разностью хода S между интерферирующими лучами R=2S/ .

28.Эллипсометрия. (Поляризация света)

Эллипсометрия - метод неразрушающего контроля состояния поверхности полупровод-ых пластин, параметров тонких поверхностных слоёв и границ раздела м/у ними, основанный на анализе изменения поляризации пучка поляризов-ого монохроматического света при его отражении от исслед-ого объекта. Т.к. обычно измеряются параметры эллиптически поляризованного света, метод назван эллипсометрическим или просто эллипсометрией.

Поляризация света. Свет со всевозможными одинаково вероятностными колебаниями электрического вектора называется естественным светом. Если вектор электрического поля в процессе колебаний устойчиво изменяет свою ориентацию, то может иметь место либо циркулярная поляризация, либо эллиптическая поляризация. В первом случае конец вектора описывает в пространстве окружность, а во втором - эллипс (рис. 5.37).

Рис. 5.37. Циркулярная и эллиптическая поляризация света

В отражённом от кристалла под некоторым углом, называемом углом Брюстера, свете колебания электрического вектора происходят преимущественно в одном направлении. Такой свет называется линейно или плоскополяризованным. Подробнее: Предположим, что монохроматическая волна оптического излучения падает на идеально гладкую поверхность исследуемой изотропной плёнки под углом  к нормали. Эта волна частично отражается от поверхности плёнки под углом ’, равным углу падения , а частично будет распространяться вглубь плёнки под углом преломления . Как известно, соотношение между углом падения и углом преломления определяется следующим законом:

sin/sin = n₁/n₂ = n₂₁ ,

где n₁ и n₂ - соответственно показатель преломления первой и второй оптической среды по ходу распространения волны.

Взаимодействие электромагнитного поля с немагнитными средами определяется в основном его электрической составляющей Е^, которую можно разложить на две компоненты, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях:

Е^= е^_pE_pcos_p + е^_sE_scos_s ,

где е^_p , е^_s - единичные векторы поляризации, E_p, E_s - амплитуды p- и s-составляющих вектор Е^, _p,_s - фазы колебаний p- и s-составляющих.

При этом s-компонентой обозначается составляющая электрического вектора, колеблющаяся в плоскости, перпендикулярной плоскости падения излучения, а p-компонентой - составляющая, параллельная плоскости падения.

Соотношение между амплитудами s- и p-компонент электрического вектора Е^ для отражённой Е^ и преломлённой Е^np волн и соответствующими компонентами падающей волны Е^n определяется формулами Френеля:

Е^_p = Еⁿ_p tg(-)/tg(+);

Е^_s = -Еⁿ_s sin(-)/sin(+);

Е^np_p = Еⁿ_p 2sinsin/sin(+)cos(-);

Е^np_s = Еⁿ_s 2sincos/sin(+).

Анализ формул Френеля показывает, что при некоторых соотношениях углов  и  отраженный и преломленный лучи будут частично и даже полностью поляризованы. Так, если угол падения удовлетворяет условию +/2, что соответствует tg = n₂₁, то p-компонента отражённой волны равняется нулю и отражённый пучок света оказывается полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом угол  называется углом Брюстера - _Бр.

Рис. 5.39. Линейная и циркулярная поляризация при двойном лучепреломлении

Эллиптически- и циркулярно-поляризованный свет можно получить из линейно-поляризованного. Для этого нужно сдвинуть фазы колебаний s- и p-составляющих линейно-поляризованного пучка света друг относительно друга. Сдвиг фаз между p- и s-волнами можно осуществить с помощью пластинки из двухлучепреломляющего кристалла (исландский шпат, турмалин), в котором эти волны распространяются с различными скоростями (это определяет различный коэффициент преломления для p- и s-составляющих - n_p и n_s ). При боковом падении линейно-поляризованного луча света на пластинку из двухлучепреломляющего кристалла из неё будут выходить два луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 5.39,а). При нормальном падении луча света выходные лучи будут иметь общую точку выхода из пластинки (рис. 5.39,б). Фазы колебаний этих лучей будут сдвинуты пропорционально оптической разности хода лучей в пластинке.

При  = /2 оптическая разность хода p- и s-лучей равна четверти длины волны падающего монохроматического пучка.

Такая пластинка называется четвертьволновой. Из этой пластинки линейно-поляризованный луч выходит эллиптически-поляризованным.

Изменение ориентации и формы эллипса зависит от изменения разности фаз p- и s-составляющих электрического вектора поляризованного пучка света, прошедшего либо отражённого от исследуемого образца. Это свойство эллиптически-поляризованного света и лежит в основе эллипсометрического метода контроля оптических констант, электрофизических параметров и толщины различных диэлектрических и полупроводниковых тонкоплёночных структур.