Методы и средства интерференционных измерений

В сферу измерений в наноиндустрии входят методы и средства для оценки параметров нанообъектов, а также характеристик самого измерительного оборудования, используемого в нанотехнологиях. Особое внимание уделяется созданию и поддержанию в рабочем состоянии эталонной базы и поверочно-калибровочному парку используемых средств измерений.

В целом методы и средства нанометрологии обусловлены ее связью с различными направлениями науки и техники (рис. 6.3).

Рис. 6.3 – Базовые направления науки и техники для формирования нанометрологии

Приборы для особо точных измерений, как правило, предполагают интерференционные методы измерений, которые базируются на волновой природе света. Свет является одним из видов электромагнитных колебаний. Каждый световой поток в течение определенного промежутка времени, достаточного для наблюдения, состоит из большого числа m волн. В отличие от радиоволн световые волны имеют большую частоту, а, следовательно, при одной и той же скорости распространения электромагнитных колебаний и световых волн имеют меньшую длину λ волны.

Одним из фундаментов нанометрологии стала фотоника – прикладная наука о генерировании и использовании (передаче, усилении и детектировании) световой и других форм энергии излучения фотона. Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного поля. Масса фотона равна нулю, а его скорость равна скорости света. Энергия W каждого фотона (кванта)

W = h⋅ ν,

где h = 6,626176⋅10⁻³⁴ Дж ⋅с – постоянная Планка;

ν – частота электромагнитного излучения, Гц.

Если обозначить через c = 2,99792⋅10⁸ м/с – скорость света в вакууме, а период волнового процесса через Т(с), то длина волны

λ = сТ = с/ν.

Оптическое излучение как объект измерения характеризуется рядом параметров или их совокупностью. Сюда входят: интенсивность и мощность излучения, состав спектра излучения, временные и пространственные свойства излучения.

1) Интенсивность излучения определяется потоком излучения, как количеством энергии, переносимой электромагнитными волнами в единицу времени. Если поток излучения относится к энергетическим характеристикам, то его обозначают Ф_е в ваттах, а если к световым, то – Ф_ν в люменах.

Термин мощность излучения, как правило, относится к энергетическим параметрам, определяющим выходное лазерное излучение. Измеряется в ваттах.

По характеру потока излучатели можно разделить на источники монохроматического и сложного излучения.

Монохроматическим светом называют световые колебания одной частоты и одной длины волны. Монохроматический свет достигается выделением спектральной линии или узкого участка спектра при помощи специальных приборов (монохроматоров, светофильтров и др.). Свет высокой монохроматичности излучают атомы, лазеры, светоизлучающие диоды.

Сложное излучение – это совокупность монохроматических излучений разных частот (лампы, нагретые тела, разнообразные световые приборы).

Мощность излучения характеризует его интенсивность и находится в широких пределах для различных источников. Например, диапазон мощностей непрерывного лазерного излучения – от пико- до мегаватт.

2) Другая группа параметров характеризует распределение потока (мощности) излучения по уровню длин волн или оптических частот. Речь идет о спектральном анализе светового потока – выделении соответствующих спектральных линий, отвечающих определенному квантовому переходу (спектральные линии поглощения и испускания квантов).

Длины волн белого света (видимого излучения) незначительны и находятся в пределах 0,38-0,78 мкм (380 – 780 нм). Границы белого света соседствуют с ультрафиолетовым (длины волн от 100 до 400 нм) и инфракрасным (длина волн от 0,78 мкм до 1 мм) излучениями.

3) Третья группа параметров связана с распределением потока (мощности Р, излучения во времени t). Аналитическая или графическая зависимость P = f(t) описывает форму импульса измерения, где можно выделить мгновенные (текущие) или максимальные (пиковые) мощности. Площадь под кривой P(t) есть энергия Q_e = ∫ P(t)dt , переносимая излучением (в Джоулях). Световая же энергия светового потока Ф_ν определяется как

Q_ν = ∫ Ф_ν dt, лм⋅с.

Для более глубоких исследований рассматривают распределение потока (мощности) излучения в двух- или трёхкоординатном пространстве. По этим данным можно судить о качестве пучка излучения.

Для волн любой природы и частоты при их одновременном излучении характерно явление интерференции – наложение волн друг на друга и взаимное их усиление или ослабление.

Другим фундаментальным понятием фотоники является дифракция – отклонение от закона прямолинейного распространения волн любой природы. Это свойство волн огибать препятствия.

Для получения интерференции необходимы источники света с постоянной по времени разностью фаз. У независимых источников света это условие не выполняется. Для получения интерференции необходимо, чтобы свет был когерентным, т.е. световые пучки, подлежащие интерференции, выходили из одной и той же точки источника света и в том же направлении. У когерентных колебаний разность фаз либо постоянна по времени, либо изменяется по строго определенному закону.

То есть две волны можно считать когерентными, если их фазовые соотношения в двух точках остаются постоянными. Излучаемые волны могут обладать разной степенью когерентности. Степень когерентности излучения может оказывать существенное влияние на результаты измерений. Появление таких источников высококогерентного излучения, как лазеры, чрезвычайно расширило область применения оптических методов измерения.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) представляют собой приборы, преобразующие электрическую, световую, тепловую или химическую энергии в монохроматическое когерентное непрерывное или импульсное излучение электромагнитных волн видимого, ультрафиолетового или инфракрасного диапазона. В них применяются излучатели в виде твердых тел (кристаллов, например рубина, или стекла с добавками ионов хрома, эребия и др.), жидкостей, газов (гелий-неоновой смеси, аргона и др.) и полупроводников. Излучатель генерирует свет под действием света импульсных ламп (твердый и жидкий), газового разряда (газовый) или электрического тока (полупроводниковый). Его помещают в резонатор (систему из двух диэлектрических зеркал) для накопления энергии возбуждения (путем многократного отражения), формирования узконаправленного излучения и управления энергетическими параметрами генерации.

В интерферометрии используют в основном хорошо отработанные гелий-неоновые лазеры, обеспечивающие высокую монохроматичность, малую расходимость лучей и большую интенсивность излучения. Это позволяет осуществлять интенференционные измерения длин с разрешающей способностью до тысячных долей ангстрема (1Å = 10^-4 мкм = 10^-1 нм – примерный размер атома).

Лазеры создают излучение наиболее высокой интенсивности по сравнению со всеми известными в настоящее время источниками света. Интенсивность лазера превышает наибольшую интенсивность неотфильтрованных некогерентных источников света примерно в 10⁵ раз.

Основным и наиболее распространенным методом измерения с помощью лазеров является измерение длины с использованием обычной оптической интерференции для коротких дистанций и техники модулированного света для длинных.

Особое развитие получает в настоящее время голографическая интерферометрия. Голография в переводе означает «полная запись» (от греческого слова holos – весь, полный). Голографический метод позволяет записать на фотоэмульсии своеобразную картину волнового поля, которую называют голограммой. Такая запись стала практически возможной с использованием лазера.

При проведении наноизмерений так же как и в традиционных механических, электромагнитных, оптических и оптико-электрических измерениях используется широкая гамма различных преобразователей: оптических (ОП), оптических измерительных (ОИП) и оптико-электрических (ОЭИП).

Преобразователи группы ОП включают всевозможные плоскопараллельные пластинки линзы, отражательные призмы, зеркала, диафрагмы, дефлекторы, модуляторы. Они предназначены для изменения направления лучистого потока, ограничения поперечных размеров пучка излучения, формирования самого пучка. ОП не носят измерительных функций.

Преобразователи же групп ОИП и ОЭИП, как правило, определяют и принцип измерения. Поэтому они имеют многие метрологические параметры: чувствительность, характеристики преобразования, постоянную времени, спектральные характеристики, тепловые характеристики и др.

Система обеспечения единства измерений предусматривает для них соответствующие эталонные измерительные преобразователи энергетических и световых величин. Такие эталоны сосредоточены в основном в ВНИИФТРИ и ВНИИОФИ.