Землянский владимир сергеевич поляризационно–оптические методы диагностики физико–химического состояния поверхности оптических элементов из силикатных стекол cпециальность

и Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

УДК 535.51: 666.011.01 Землянский Владимир Сергеевич ПОЛЯРИЗАЦИОННО–ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ Cпециальность 05.11.07. – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук СанктПетербург 2009

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики Научный руководитель – доктор технических наук, профессор, Туркбоев А Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор, Путилин Э.С.

– кандидат технических наук, доцент, Ветров А.А.

Ведущая организация – ФГУП НИТИОМ ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова

Защита состоится « 16 » июня 2009 г. в «15.30 » часов на заседании диссертационного совета Д.212.227.01 «Оптические и оптико– электронные приборы и комплексы» при Санкт–Петербургском Государственном универ-ситете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, г.Санкт–Петербург, Кронверкский пр., д.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт–Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Автореферат разослан « 16 » мая 2009 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, г. Санкт– Петербург, Кронверкский пр., д.49, секретарю диссертационного Совета Д.212.227.01.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.212.227.01: к.т.н В.М.Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с открытием новых областей применения стеклообразных материалов, где стекла играют не традиционную пассивную (например, оптические среды, электроизоляционные материалы и т.п.), а активную роль (лазерные материалы, элементы электронных приборов, дози метрические материалы и т.п.), для адекватного прогнозирования изменения оптических и физико–технических характеристик элементов оптотехники при различных внешних воздействиях особенно актуальной стала задача изу чения кинетики физико–химических процессов, происходящих на поверхнос ти оптических элементов при механических, химических, тепловых, радиа ционных воздействиях, а также разработка физико–математических моделей различных механизмов формирования неоднородной структуры поверхност ного слоя (ПС), образующегося на элементах выполненных из силикатных стекол и кристаллов.

Внешнее сходство многих свойств силикатных стекол и кристаллов побу дило некоторых исследователей к не всегда достаточно оправданному фор мальному применению к описанию кинетики физико–химических процессов и оптических свойств поверхностных слоев фторсодержащих или свинцовоси ликатных стекл тех же моделей, которые ранее использовались для кристал лов. Однако специфические особенности структуры и состава многокомпонен тных силикатных стекол иногда создают значительные затруднения в описа нии физико-химических процессов, приводящих к образованию неоднородных поверхностных слоев различных силикатных систем (кристаллов, стекол, пле нок и т.п.). В основном это связано с тем, что для многокомпонентных сили катных стекол отсутствуют достаточно ясно выраженные границы применения различных представлений и понятий о макро– и микроскопических характе ристиках поверхностных слоев, исторически развитых применительно к крис талллическим материалам.

Для формирования научных представлений о природе физико химических процессов, приводящих к образованию неоднородных по своему составу и структуре силикатных систем поверхностного слоя, необходима разработка но-вой методологии в изучении и физико– математическом моделировании кине-тики и механизмов формирования физико-химических свойств самых разно-образных силикатных систем (кристаллов, многокомпонентных силикатных стекол, стеклообразующих пленок и т.п.) при различных внешних воздейст-виях.

Цель настоящей работы состояла в усовершенствовании известных и разработке новых поляризационно–оптических и спектрометрических методов исследования физико–химических характеристик поверхностных слоев эле ментов оптотехники в процессе модификации структуры многокомпонентных силикатных стекол при различных внешних воздействиях (механических, химических, тепловых, радиационных и т.д.).

Для этого в работе решались следующие основные задачи:

– разработка методик эллипсометрического и спектроскопического ана лиза поляризационно–оптических свойств неоднородных поверхностных слоев многокомпонентных силикатных стекол;

изучение основных закономерностей изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от оптической системы «неоднородный поверх-ностный слой шероховатая поверхность неоднородная подложка»;

изучение кинетики и физикохимических механизмов формирования неоднородной структуры поверхностных слоев на свинцовосиликатных и фтор содержащих силикатных стекол при различных внешних воздействиях (механи ческих, химических, тепловых, радиационных);

разработка методов эллипсометрического контроля напряженно–дефор-мированного и физикохимического состояния поверхности элементов в зоне их оптического контакта в бесклеевых оптических соединениях.

Научная новизна работы состоит в том, что на основе применения теории возмущений к рекуррентным соотношениям Абеле для многослойной отражающей системы в аналитическом виде получено уравнение эллипсометрии для оптической системы «неоднородный слой шероховатая поверхность неоднородная подложка»;

изучены основные закономерности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от оптической системы «неоднородный слой шероховатая поверхность», на основе которого разработаны методы физико математического моделирования структуры неоднородных поверхностных сло-ев силикатных стекол и их оптических соединений;

методами эллипсометрии, волноводной спектроскопии, электронной Ожеспектрометрии и ВИМС установлены корреляционные связи между поля-ризационнооптическими параметрами поверхностных слоев, образующихся при механической, химической, тепловой и ионной обработке силикатных стекол, и физикохимическими характеристиками элементного состава стекла;

изучены кинетика и физикохимические механизмы формирования маломодовых волноводных поверхностных слоев на фторсодержащих стеклах при различных внешних воздействиях окружающей среды (вакуума, атмосферы воздуха, влажной атмосферы) и при последующей тепловой обработки оптических элементов;

изучены кинетика и физикохимические механизмы формирования выщелоченного слоя и сегрегации щелочных компонентов в глубине поверхностного слоя при ионной и химической обработке свинцовосиликатных стекол;

исследованы физико–химические механизмы формирования неодноро дной структуры парофазного кварцевого стекла и влияние комбинационной (химической) и позиционной (структурной) неоднородности кремнекисло родной сетки на потери излучения в УФ области спектра излучения.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту состоят в следующем:

1. Физикоматематическое моделирование многослойной неоднородной отражающей системы по методу «эффективного слоя» и «эффективной подложки», основанное на применении теории возмущений к рекуррентным соотношениям Абеле, позволяет в аналитическом виде получить уравнение эллипсометрии для отражающей системы «неоднородный слой шероховатая повер хность неоднородная подложка».

2. Состояние поляризации отраженного светового пучка и величина отк лонения угла поляризации от угла Брюстера определяется структурой неодно родной отражающей системы, что позволяет при многоугловых эллипсомет рических измерениях различать эффекты в изменении состояния отраженного поляризованного светового пучка вызванные наличием на поверхности опти ческих элементов шероховатости и неоднородных слоев с различным видом оптического про-филя.

3. Метод последовательного эллипсометрического анализа неоднородных отражающих систем, основанный на физико– математическом моделировании структуры отражающей системы, позволяет по измеренным значениям поляри-зационных параметров отраженного светового пучка в произвольно выбранной измерительной ситуации определять оптимальные условия эксперимента, при которых можно сравнивать различные по своему физическому содержанию мо-дели поверхностного слоя при наименьшей вероятности ошибки в оценки их адекватности объекту исследования.

4. Одновременное использование методов эллипсометрии и волноводной спектроскопии позволяет, при совместном решении обратной задачи ВКБ и эл липсометрии,по измеренным поляризационно-оптическим параметрам реконс труировать полный оптический профиль маломодовых волноводов неразруша ющим способом.

5. Установлена общая закономерность изменения оптических свойств по глубине поверхностного слоя, образующегося при жидкостной химической и ионной обработки свинцовосиликатного стекла, заключающаяся в образовании в приповерхностной области выщелаченного слоя с показателем преломления меньше объемного и формировании в глубине поверхностного слоя области с показателем преломления больше объемного значения связанного с процессами сегрегации щелочных компонентов в кремнекислородной матрице стекла.

6. При воздействии влажной атмосферы на поверхность фторсодержащего силикатного стекла, синтезированного с добавками окислов алюминия, образуются волноводные поверхностные слои, которые изменяют свои оптические характеристики в процессе низкотемпературной обработки детали.

7. Метрологическая аттестация потерь оптического излучения в элемен-тах парофазного кварцевого стекла, основанная на совместном использовании методов эллипсометрии и спектрофотометрии, позволяет различать потери излучения вызванные образованием поверхностного слоя при обработке стекла от потерь излучения связанные с его ослаблением в объеме стекла.

Практическая значимость работы, состоит в том что полученные методами эллипсометрии и спектрометрии результаты ис-следований структуры, состава и физико–химических характеристик поверхностного слоя элементов оптотехники позволяют осуществить поиск оптималь-ных технологических режимов обработки поверхности оптических элементов и более целенаправленно определить условия эксплуатации деталей с модифи цированной структурой поверхностного слоя в оптико–электронных приборах и комплексах различного функционального назначения;

установленные корреляционные связи между оптическими характеристиками поверхности детали и технологическими параметрами ее обработки яв-ляются основой для разработки способов изготовления и методов эллипсомет-рического контроля оптических элементов с высокой химической устойчивос-тью поверхности и минимальными потерями излучения в видимой, ВУФ и ИК областях спектра.

Реализация результатов работы отражена в актах внедрения от предпри ятий ООО Кварцевое стекло и ФГУП НИТИОМ ВНЦ им. С.И.Вавилова. Ре зультаты работы, затрагивающие теоретические и методические основы эллип сометрии неоднородных оптических систем и шероховатых поверхностей эле ментов оптоэлектроники, использованы е в учебном процессе в СПб ГУ ИТМО.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены либо лично автором, либо по его инициативе и при его непосредст венном участии.

Апробация работы. Результаты научной работы докладывались и обсу ждались на VII Международной конференции "Прикладная оптика – 2006", проводимой в рамках Международного оптического конгресса "ОПТИКА – XXI век" (г.Санкт–Петербург, 2006 г.);

на IV межвузовской конференции мо лодых ученых (г.Санкт–Петербург, 2007 г.);

на XXXVI, XXXVIII конферен циях ППС СПб ГУ ИТМО (г.Санкт–Петербург, 2007, 2009 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в научных трудах, в том числе 4 научных статьях опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.) Структура и объем диссертации. Дисертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 118 на именований, приложения;

содержит 186 страниц основного текста, 52 рисунка и 17 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы;

сформулирована цель и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость;

представлены основные положение и результаты, выносимые на защиту и дано краткое со держание каждой главы диссертационной работы.

В первой главе представлен системный анализ методов физико–матема тического моделирования механизмов образования и свойств разнообразных стеклообразующих систем, а также приведен анализ существующих оптичес ких и ядерно–физических методов диагностики физико–химического состояния силикатных стекол и образующего поверхностного слоя в информационно– поисковой системе «состав стекла – свойства ПС» и «структура стекла – свойства ПС» при различных физико–химических воздействиях на поверхность оптических элементов.

Рассмотрена классификация строения фрагментов силикатного стекла по среднему фактору связности (разветвленности) структурного каркаса Y, пред-ставляющего собой среднее число мостиковых связей или мостиковых атомов кислорода структурных полиэдров, который можно выразить уравнением:

I z I Y= i i j, (1) I i I где – сумма атомов с количеством связей, равным единице (щелочные ме j таллы и галогены);

Ii – сумма атомов с количеством связей больше единицы;

z – валентность, координационное число. Для металлокислородных полиэдров с одним атомом кислорода, связанных двойной связью, число zi=z–1.

При расчете Y по их составу в формулу (1) вместо I j и Ii подстав ляются их концентрационные выражения mC, где m представляет собой число катионов (атомов металла) в молекуле соответствующего оксида или чи сло атомов фтора во фторидах;

С – концентрация оксидов или фторидов в стек ле, выраженная в молях или молярных процентах. Значение Y для силикатных, фосфатных и боратных стекол, а также образующихся при различных внешних воздействиях ПС, находятся в пределе от 2 до 4. В стеклах и ПС, харак теризуемых такими значениями Y, формируется непрерывная сетка мостиковых связей с образованием при Y=4 трехмерной каркасной, при Y=3 двумерной слоистой и при Y=2 одномерной цепочечной структуры. В идеальном случае при Y2 структура не будет иметь непрерывного каркаса, а будет состоять из цепочек ограниченной длины (от максимально большого количества членов до двухчленных) и изолированных структурных фрагментов.

Приведены модели структуры ПС однокомпонентных, двухкомпонен-тных и трехкомпонентных силикатных стекол и описаны особенности метода оптимальных полиномов при физико математическом моделировании физико-химических свойств двухкомпонентной структуры силикатной системы.

Изложены особенности диагностики физико-химического состояния неоднородных силикатных систем методами электронной спектроскопии химического анализа (ЭСХА), ядерного микроанализа и эллипсометрии. Рассмот-рены методики расчета средней, эффективной толщины и показателя преломления неоднородного поверхностного слоя с различным видом оптического и концентрационного профиля. Представлены методы метрологической аттестации эллипсометрической аппаратуры для определения поляризационно-оптических характеристик неоднородных отражающих систем.

Проведенный системный анализ физико-математических методов моде лирования силикатных систем и используемых методических подходов к изу чению структуры, состава и их поляризационно–оптических свойств позволя ет сделать ряд следующих выводов.

Поиск адекватных макроскопических моделей и физико химических механизмов формирования неоднородной структуры силикатных систем, основанный на принципе «одна модель–один механизм», приводит к появлению большого количества разнообразных моделей строения неупорядоченных систем, само количество которых свидетельствует о сложности проблемы создания цельной картины неоднородной силикатной системы.

Для преодоления односторонности описания совокупности самых раз-нообразных физико-химических свойств стеклообразных неупорядоченных систем физико–математическое моделирование их структуры должно быть основано на комплексном исследовании различными экспериментальными методами одних и тех же силикатных систем, включая спектроскопические, ядерно–физические и поляризационно–оптические методы, по принципу "обобщенная модель структуры силикатной системы – физико-химические меха низмы ее формирования – совокупность поляризационно–оптических свойств неоднородной оптической системы".

Во второй главе дается развитие теории эллипсометрического метода анализа поляризационно–оптических характеристик неоднородных отражаю щих систем и шероховатой поверхности неоднородной подложки. Изложены особенности применения методов многоугловой и иммерсионной эллипсомет рии для определения поляризационно–оптических характеристик неоднород ных и многослойных отражающих систем.

Представлен методический анализ применения существующих подходов в исследовании поляризационно–оптических свойств поверхности твердого те ла. Первый основан на установлении корреляционных связей между техно логическими параметрами обработки поверхности деталей и непосредственно измеряемых эллипсометрических параметров отраженного светового пучка;

второй – на модельном представлении поверхностного слоя как однородного и изотропного с эффективным показателем преломления N* и толщиной слоя d*;

третий – на определении профиля показателя преломления неоднородного ПС или многослойной оптической системы методом секционирования.

Показано, что существующие методы анализа поляризационно оптичес ких свойств неоднородных отражающих систем обладают рядом недостатков методического характера, приводящим к неоднозначности в решении обратной задачи эллипсометрии и, соответственно, к ошибкам в интерпретации резуль татов исследования кинетики и механизмов формирования неоднородной структуры поверхностных слоев оптических элементов при различных внеш них воздействиях.

Для частных случаев ориентации оптической оси анизотропной среды и r волнового вектора k о падающего излучения, когда смешение p– и s–компонент поляризации излучения в отраженном световом пучке не происходит, диэлект рическая проницаемость неоднородного ПС осесимметричной анизотропной r от-ражающей системы будет представлять собой тензор второго ранга, ко торый можно представить матрицей составляющих (z) r x = 0 y (z) 0. (2) 0 z (z) Получено уравнение эллипсометрии для неоднородного анизотропного слоя осесимметричного кристалла, которое можно записать как ( ) = tg exp( i ) = R ( p ) / R (s ) = о 1 + A (p ) Y (p ) A (s ) Y (s ), (3) [ ] = tg exp i = R (p ) R (s ), A ( p,s ) = 2U ( p,s ) (U ( p,s ) ) (U ( p,s ) ), (4) 2 o o o o o B B o = ik o o, z ( o, z В sin ) { x (z) o, x В ( o, z z (z)) Y (p) (5) sin [ x (z) z (z) o, x o, z ]} exp( 2ik o o, x (U o ) ) dz, (p) Y = iko ( y (z) o,y ) exp(2iko Uo z)dz (s ) (s ) (6) Здесь U ( p,s ), U ( p,s) – адмиттансы внешней среды и кристалла;

, о в о – ази-муты линейной восстановленной поляризации;

, о – разности фаз между p– и s–компонентой отраженного светового пучка от объекта исследования и геометрически плоской границы раздела сред, соответственно;

ko=2/, где - длина волны излучения;

В – диэлектрическая проницаемость внешней среды;

- угод падения светового пучка;

о,x,y,z - составляющие диэлектрической проницаемости кристалла по осям X,Y,Z.

Для изотропных сред из соотношений (3) (6) получено обобщенное уравнение эллипсометрии в приближении Друде-Борна.

При анализе методов решения прямой и обратной задачи эллипсометрии для экспоненциального профиля показателя преломления ПС кварцевого стекла определены ошибки в расчете поляризационно-оптических характеристик неоднородной отражаю щей системы и установлены границы применимости обобщенного уравнения эллипсометрии в приближении Друде-Борна.

Проведен теоретический анализ границ применимости уравнения эллип-сометрии для шероховатой поверхности неоднородной подложки = o [1 + A o Yн + k o 2 ( )], (7) A o = 2 o tg 2 U 1s ) ([ tg 4 ( U 1s ) ) 2 ( U (os ) ) 2 ] ( o 1 ) ), ( ( (8) Yн = ik o ((z) o ) ((z) 1 ) [(z)]1 exp ( i 2k o U (s) z)dz, (9) o (1o ) F () 2(Uo ) F2 () (s) ( ) = A o A( ), A() = (1+o ) U + + (s), (10) o sin sin где, - среднеквадратическое значение высоты и корреляционного рас стояния шероховатой поверхности.

Теоретический анализ, проведенный при вариации значений среднеквад ратической высоты микрорельефа поверхности для различных видов кор реляционной функции Rш(r), показал, что при замене шероховатой поверхнос ти моделью однородного или неоднородного слоя среднее значение показателя преломления nср.no (рис.1), а толщина dср. ПС практически не зависит от па раметра. Однако имеет место корреляция между толщиной слоя dср и кор реляционным расстоянием (рис.1). Поэтому ранее выдвинутое предполо жение о том, что толщина слоя dср, рассчитанная в рамках упрощенных моделей шероховатой поверхности, в том числе поглощающего и анизотропного слоя, является геометрической характеристикой высоты микрорельефа не может быть принята.

Рис.1. Изменение оптических параметров ПС при замене шероховатой повер хности кварцевого стекла моделью экспоненциального (кривые 1,2) и однородного слоя (кривые 3,4): а) толщина слоя;

б) показатель преломления слоя. Обозначения: + - гауссова корреляционная функция;

О, - экспоненциальная корреляционная функция.

На рис.2,а приведена (–) номограмма для системы «шероховатая по верхность – неоднородная подложка», где в качестве неоднородной подложки использована модель ПС с экспоненциальным профилем n(z) по его глубине, находящегося на элементе, выполненного из стекла К8 (no=1,51466), а шеро ховатость описывается гауссовой корреляционной функцией с параметрами =40 и =0,2 мкм. Отметим, что на рис.2,а указано среднее значение толщины слоя dср. в микронах. Из полученных данных видно, что в том случае, когда неоднородный слой имеет показатель преломления nср. меньше объемного зна чения no, т.е. n = (n q n o ) 0, то (–) номограмма для сложной отража ющей системы «шероховатая поверхность – неоднородный ПС» находится в том же квадранте, что и для ПС без учета влияния шероховатости на изменение состояния поляризации отраженного светового пучка (кривая 1, квадрант I).

Поэтому, если при эллипсометрическом анализе неоднородной отражающей системы не учитывать влияние на изменение состояния поляризации отражен ного светового пучка от шероховатой поверхности, то возникает ошибка в расчете параметров ПС – средних значениях толщины dcp. и показателе пре ломления ncp., но это не скажется на модельном представлении о виде опти ческого профиля ПС.

Рис.2. (–) номограмма системы «шероховатая поверхность – неоднородный ПС » (а) и ошибки расчета средних значений толщины dcp. и показателя преломления ncp. ПС (б). а) кривая 1 – при n= – 0,02 ;

кривая 2 – при n= 0,02 ;

б) ошибки расчета показателя преломления n= ncp – n(Т) (кривая 1) и толщины ПС (dcp/d(T)) (кривая 2), где n(Т), d(T) – средние значения пока зателя преломления для ПС с экспоненциальным оптическим профилем.

При налиичи на поверхности оптического элемента неоднородного ПС с показателем преломления nqno расчетная (–) номограмма эллипсометриии для отражающей системы «шероховатая поверхность – неоднородный ПС» будет существенно ее отличает от (–) номограммы для неоднородного слоя, где не проводится учет шероховатости (кривая 2). На рис.2,б показаны ошибки в расчете параметров ПС, вызванные не учетом влияния шероховатой повер хности на изменение состояния поляризации отраженной волны.

На основании уравнения эллипсометрии (7) разработан метод решения обратной задачи эллипсометрии для отражающей системы «шероховатая поверхность – неоднородный ПС». Для объективной оценки возможностей метода эллипсометрии при определении параметров шероховатой поверхности опти-ческих элементов были сопоставлены результаты измерений полученные различными физическими методами: методом профилометрии на приборе "Ta listep" и методом спекл–интерферометрии. Установлено, что значения сред-неквадратической высоты микрорельефа, полученные методом эллипсо-мет-рии на основе уравнения (7), хорошо согласуются с данными других физии-ческих методов.

Получено уравнение эллипсометрии для многослойной неоднородной системы, которое описывается выражением:

Фj( p) = (ikoAo o)1 [(j o) (j1 o) exp( i2ko U(s) dj)], (11) o dj Фj ( р) = (j (z) o) (j (z) B) j (z) exp( i2koU(s)z))dz..

(12) o o где измерение эллипсометрического отношения производится до нанесения (j–1) неоднородного слоя толщиной dj и после синтеза многослойной неодно родной системы (j). Используя процедуру эллипсометрических измерений по методу секционирования, можно определять оптические характеристики неод нородного слоя минуя стадию физико-математического моделирования струк туры нижележащей неоднородной оптической системы, тем самым избежать ошибок расчета оптических параметров синтезированного неоднородого слоя слоя и, соответственно, интерпретации экспериментальных данных получен ных методом эллипсометрии.

Третья глава посвящена разработке методов эллипсометрического и спектроскопического контроля оптических характеристик неоднородных сло ев и шероховатой поверхности внутрирезонаторных элементов ионных лазе ров.

В качестве объектов исследования были использованы кварцевые стекла, полученные разными технологическими способами:

высокотемпературным гидролизом паров тетрахлорида кремния в кислородно–водородном пламени;

вакуумно–компрессионным методом плавления кристаллов кварца;

плавлением кварца в кислородно–водородном пламени.

Для преодоления односторонности описания совокупности технологичес ких факторов, влияющих на структуру кварцевого стекла, изучение его опти ческой однородности проводилось на основе комплексного подхода к иссле дованию различных физико–химических свойств силикатной системы (плотно сти р, показателя преломления n, показателя ослабления излучения µ (см–1) и концентрации ОН–групп СОН) по блоку парафазного кварцевого стекла метода ми ИК и УФ спектрометрии, интерферометрии и термоградиентным флота ционным методом.

Оптическая неоднородность в блоках кварцевого стекла обусловлена, в основном, двумя факторами. Во–первых, разным участкам блока стекла соот ветствует определенная «фиктивная» температура Т, от значения которой, как правило, зависит позиционная неупорядоченность структуры кремнекислород ной сетки кварцевого стекла, которая, в свою очередь, может быть связана с образованием кластеров или комплексов с тетрагональными искажениями в ок таэдрическом комплексе [SiO4/2]о или с образованием локальной неоднородно сти близкой к структуре кристобалита или тридимита. Во–вторых – не однородностью химического состава стекла, обусловленного, например, нали чием в объеме материала градиента концентрации гидроксильных ОН–групп, т.е. различных химических связей в силикатной системе SiOx(OH)y – комбина ционной неупорядоченностью кремнекислородной сетки по радиусу R блока кварцевого стекла. Измерение оптической неоднородности по показателю пре ломления n(R) по радиусу R блока парофазного кварцевого стекла осуществ лялось в интерферометре Тваймана c погрешностью измерения Sn=±1·10–6.

При исследовании физико–химических свойств парофазного кварцевого стекла КС–4В, образцы вырезались в виде дисков из блока в направлении пер пендикулярном оси роста, каждый диск разрезался на части с интервалом 10 мм, а затем, в зависимости от используемой методики измерений физико–хими ческих параметров стекла, вырезался элемент соответствующего размера. Пе ред измерением плотности кварцевых стекол р(Т, СОН) образцы травились в плавиковой кислоте (3% мол. HF), промывались в дистиллированной воде, а затем сушились в термостате. Плотность образцов р(Т, СОН) измерялась термо градиентным флотационным методом, разработанным в ФТИ им. А.Ф.Иоффе, с погрешностью Sp=±3·10–5 г/cм3. В качестве рабочей жидкости использовалась бинарная система дибромэтан–бромформ, концентрация которой была подобра на так, чтобы при температуре Т=2530 оС плотность кварца (рис.3,а) нахо дилась между крайними значениями плотности раствора в термоградиентной трубке. Измерение плотности образцов осуществлялось при достижении ими флотационного равновесия в течении t2 часов. В качестве эталона использо вался образец кварцевого стекла, плотность которого была предварительно из мерена методом гидростатического взвешивания с точностью Sр=1·10–5 г/cм3 в ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. В процессе измерений плотность образца опре делялась по формуле:

робр. = рэт. ± Т, (13) где робр.– плотность исследуемого образца;

рэт..– плотность эталона;

. – коэффи-циент объемного расширения рабочей жидкости;

Т – температура. Знак «+» или «–» выбирается в зависимости от положения образца относительно эталона в термоградиентной трубке.

Методом ИК–спектроскопии в образцах кварцевого стекла по интенсив ности полосы при =3680 см–1 (=2,72 мкм) контролировалось содержание свя – занных гидроксильных групп Si–O–Н, а при =2540 см (=3,94 мкм) соде ржание групп Si–Н.

Рис.3. Концентрационная зависимость плотности в бинарной системе дибромэтан – бромоформ при различных температурах (а) и зависимость плотности р кварцевых стекол от «фиктивной» температуры Т (б) и концентрации ОН– групп (в): а) 1 - 30°С;

2 - 25°С;

3 - 20°С;

б) 1 – вакуум–компрессионное стекло ;

2 – стекло лабораторного синтеза;

3 – газоплавленное стекло;

4 – парофазное стекло;

в) при «фиктивных» температурах: 1 – 1200 оС;

2 – о С;

3 – 1400 оС;

4 – 1500 оС;

5 – 1450 оС.

Из приведенных на рис.3,б,в результатов видно, что с увеличением «фиктивной» температуры Т плотность кварцевого стекла возрастает, а с увеличением концентрации СОН происходит ее уменьшение. Для всех типов кварцевого стекла наблюдается экстремум функции р(Т) (рис.3,б). Аномальное поведение плотности в температурном интервале Т~1450 оС может быть связано с пози ционной перестройкой структуры кремнекислородной сетки кварцевого стекла: например, с возникновением в матрице стекла областей со структурой, харак-терной для кластеров и комплексов с геометрической структурой высокотем-пературного кристобалита. С термодинамической точки зрения по степени восстановительного действия на кремнезем при высоких температурах все вещества, используемые в технологическом производстве стеклообразного кремнезема, располагаются в следующей последовательности (в порядке уменьшения): C–Si–SiC–H2–Mo–W. Это предполагает возможность получения кварцевого сте-кла, наплавленного в электропечи с вольфрамовыми нагревателями в молибденовом тигле в нейтральной атмосфере, с химическим составом близким стек лообразному кремнезему, чем для химического состава кварцевого стекла по-лученного в графитовом тигле в вакууме.

Результаты исследования оптической однородности парофазного кварце вого стекла по показателю преломления n(R) со поставлялись с изменением «фиктивной» температуры Т(R) и концентрации СОН ОН–групп в различных блоках парофазного кварцевого стекла (рис.4). Видно, что местонахождение экстремумов (min и max) физико–химических параметров Т(R), СОН(R), n(R) и характер их изменения в разных блоках кварцевого стекла практически совпа дают.

Рис.4 Изменение «фиктивной» температуры Т(R) (а), концентрации СОН (R) гидро литических ОН–групп (б) и оптической однородности по показателю пре ломления n(R) (в) по диаметру различных блоков (1,2,3) парофазного кварцевого стекла КС–4В.

Если совпадение по блоку «фиктивной» температуры Т(R) и концентра ции СОН (R) (рис.4,а,б, кривые 1) можно объяснить тем, что растворимость ОН– групп в области расплава кварцевого стекла растет с повышением температу ры (химическая неупорядоченность структуры кварцевого стекла), то измене ние показателя преломления n(R) следует связывать также и с позиционной неупорядоченностью структуры стекла. В образцах толщиной L=10±0,1 мм, вырезанных из разных блоков кварцевого стекла и полированных при стандар тных условиях в водной суспензии полирита, путем измерений коэффициента пропускания Т на спектрофотометре «Specord M40» при длине волны = нм определялся показатель ослабления излучения µ по формуле:

µ = [lg T lg To ], (14) L где То – коэффициент пропускания образца с учетом потерь излучения на фре нелевское отражение от поверхностей детали. Показатель преломления кварцевого стекла при =200 нм no=1,5465, значение lgТо= –0,0482, погрешность измерения показателя ослабления излучения равна Sµ=±5·10– (cм–1).

Из полученных данных следует, что на потери оптического излучения µ влияет не только неоднородность физико–химической структуры и состава по блоку парофазного стекла, но и неоднородность физико–химической структуры ПС, образованного при полировании оптического элемента.

Разработана методика определения потерь излучения в поверхностном слое оптической детали и показателя ослабления излучения в стекле, основанная на измеренных методом эллипсометрии поляризационно–оптических характеристиках ПС и коэффициента пропускания излучения элементом, полученным методом спектро-фотометрии.

Методом Оже–спектрометрии исследовался элементный и профильный анализ поверхностного слоя кварцевого стекла, полированного в водной сус пензии алмазным порошком АСМ 1,0/0 и полиритом (рис.5). Измерение Оже– спектров осуществлялось в электронном спектрометре LHS–10 (фирмы Лей больд–Гереус) с полусферическим энергоанализатором (разрешение Е/Е не хуже 10–4). Давление в камере составляло РAr~4·10–6 Па. Исследуемые образцы облучались пучком электронов с энергией Ее~1,6 кэВ при токе Ie~0,1 мА, изме рительная аппаратура работала в режиме записи производной dN е /dE e. Пос лойное распыление образцов производилось пучком ионов Ar+ c энергий EAr~ кэВ при токе IAr ~1 мА.

Рис.5 Относительные интенсивности линий Оже–спектров элементов ПС кварце вого стекла, полированных алмазным порошком («А») и полиритом («П»).

t - время распыления ПС.

Видно, что наибольшие изменения элементного состава происходят в приповерхностной области слоя. Наличие углерода в ПС кварцевого стекла связано с образованием трещиноватого слоя, в область которого, в результате капиллярного эффекта, вместе с водой проникают углеводороды (продукты вза имодействия смоляного полировальника с полирующей суспензией). Глубина этой области зависит от величины локального давления Рлок. в зоне контакта зерна полировального порошка с поверхностью детали, которое различно для полирита и алмазного порошка. По изменению интенсивности Оже–линии углерода С можно судить об эффективной толщине ПС d*. Из представленных данных видно, что толщина ПС d* при полировании алмазным порошком будет больше, чем при полировании полиритом. Естественно, что в данной области ПС происходит и более интенсивное образование соединений SiOx(OH)y, от концентрации которых зависит величина потерь оптического излучения в ПС.

В эллипсометрии, как и других оптических методах, адекватность мо дели отражающей системы объекту исследования оценивается на основе кри терия максимального правдоподобия. Данный критерий основан на сопостав лении экспериментальных и теоретических результатов физико–математичес кого модерирования неоднородных оптических систем с использованием функ ционала F(,, S,, m), значение которого зависит не только от эксперимен тальных ((э), (э)) и расчетных ((т), (т) ) значений поляризационно–оптичес ких характеристик исследуемого объекта, ошибок их измерения S,, но и вида используемой модели оптического профиля ПС nm(z), где m=1,2,3…, m – по рядковый номер модели в рассматриваемой совокупности поляризационно– оптических свойств объекта. В частности, таким условиям удовлетворяет фун кция вида:

( )( ) 1 M j j (m) j(э) j(т) (m) 2 (э) ( т) S 2 + S 2, F(m) = () () (15) 2 M j=1 j, j, где М – число измерительных ситуаций, которое определяется совокупностью вариаций независимых параметров, изменяемых при многоугловых {j}, имме рсионных {nВ,j} или спектральных {j} эллипсометрических измерений. Сред неквадратические погрешности эллипсометрических параметров Sj, и Sj, мо жно определить по известной пороговой чувствительности прибора So.

Функционал F(m) (15) не противоречит условиям 2–распределения и в теории статистических решений обратных задач эллипсометрии его называют функцией ошибок или функцией качества принимаемых решений о соответ ствии той или иной модели ПС объекту исследования. В методе эллипсометрии неоднородных оптических систем необходимо различать выбор оптимальных условий для проведения поляризационных измерений j(э) и j(э) с целью дос тижения наибольшей точности в определении оптических параметров ПС и выбор оптимальных условий эксперимента с точки зрения наибольшей вероят ности принятия правильного решения о соответствии той или иной модели ПС объекту исследования. Очевидно, что в последнем случае эти эксперимен тальные условия должны определятся совокупностью измерительных ситуаций, при которых функция ошибок F(m) (15) имеет наибольшую зависимость своих значений от вида модели отражающей системы, каждая из которых отражает одну из рассматриваемых m–альтернативных гипотез о физической природе, составе и структуре поверхностного слоя и его поляризационно–оптических свойствах.

Определение оптических параметров неоднородных отражающих систем в методе эллипсометрии проводится, как правило, в два этапа, где на первом этапе определяется модель исследуемого ПС адекватная объекту исследования, на втором этапе по данной модели ПС определяются физические параметры системы, подлежащие технологическому контролю, и оценивается их метроло гическая надежность. На основании разработанной методики эллипсометри ческого анализа неоднородных ПС кварцевого стекла определены оптимальные технологические режимы обработки оптических элементов, при которых поте ри излучения на внутрирезонаторных элементах ионных лазеров в УФ области спектра минимальны.

Эллипсометрический анализ неоднородного ПС, проводимый в видимой (=0,6328 мкм) и ИК области спектра (=10,6 мкм) показал, что оптический профиль ПС полированного кварцевого стекла имеет как сильно градиентную область слоя толщиной до dI ~ 0,3 мкм (участок I), так и слабо градиентную область ПС (участок II), локальное значение показателя преломления n(z) в которой незначительно отличается от объемного значения no=1,4570, а толщина этой области ПС dII (рис.6). Эта особенность оптического профиля ПС полированных деталей позволяет сделать вывод о том, что в видимой области спектра удобно определять толщину dI сильно градиентной области ПС, физико–химические свойства которой определяются процессами протекающими при полировании детали. В ИК области спектра целесообразно определять глубину всего нарушенного слоя, образующегося при шлифовании оптической детали, и который в процессе полирования удаляется за счет микросрезывающего дейс-твия абразива.

Рис.6 Оптический профиль ПС кварцевого стекла в видимой (а) и ИК области спектра (б.в) (при съеме материала: кривые 1 – h=5 мкм;

кривые 2 – h= мкм) и изменение эффективных параметров слоя (г) ( при =0,6328 мкм : 1 – n*, 2 – d*;

при =10,6 мкм : 3 – n(0), 4 – k(0), 5 – d*) Таким образом, из полученных данных следует, что применение спектральной эллипсометрии в технологическом контроле качества обработки поверхности оптических элементов позволяет более детально судить об особенностях оптического профиля ПС, и соответственно, о характере структурных на-рушений в ПС полированных оптических элементов.

В четвертой главе научной работы представлены результаты иссле дований кинетики и механизмов формирования физико–химических свойств поверхностных слоев силикатных стекол при различных внешних воздействиях и их технологической обработки.

Объектами исследования являлись фторсодержащие и свинцовосиликат ные стекла различного химического состава, а в качестве методов исследования использовались разработанные методы эллипсометрии неоднородных отража ющих систем, волноводной спектроскопии, электронной Оже–спектрометрии, ВИМС и спектрометрии резонансных ядерных реакций (ЯР).

Изучение кинетики и механизма формирования волноводных ПС прово дилось на фторсодержащих стеклах марки ЛК относящихся к группе «А» хими ческой устойчивости к влажной атмосфере. Поиск волноводного эффекта про водился для всех фторсодержащих силикатных стекол (ЛК1, ЛК3, ЛК6, ЛК8).

Оказалось, что волноводный эффект при длине волны излучения =0,6328 мкм присутствует в поверхностных слоях (ПС) двух типов стекол ЛК1 и ЛК6. При чем для ПС стекла ЛК1 наблюдается многомодовый волноводный эффект, а для ПС стекла ЛК6 – одномодовый. Никаких волноводных признаков в ПС стекол ЛК3 и ЛК8 при использовании различных режимов полирования поверхности детали обнаружено не было.

Особенностью волноводных ПС стекла ЛК1 является модовая изотропия, т. е. выполняется условие при котором модовые показатели преломления для ТЕ–волны и ТМ–волны излучения равны nTE,m nTM,m. Поэтому измерение р езонансных углов m ввода излучения в волноводный ПС проводилось только для ТЕ–волны поляризованного света на эллипсометре ЛЭФ–3М при азимуте поляризатора и компенсатора обеспечивающих линейную поляризацию для ТЕ–волны падающего излучения. Условие резонансного возбуждения волно водных мод (РВВМ) при использовании призменного ввода излучения в ПС оптического элемента имеет вид:

sin m nm = n p sin p ± arcsin, (16) np где np – показатель преломления стекла призмы, равный np = 1,7491 при длине волны излучения = 0,6328 мкм;

p – угол при вершине призмы, равный p = 1,0367 рад. Точность измерения резонансного угла m на эллипсометре ЛЭФ– 3М составляет величину Sm 30//, что соответствует погрешности в определе нии модового показателя преломления Snm 1,5·10–4.

Методом волноводной спектроскопии было установлено, что после по лирования стекла ЛК1 в водной суспензии полирита образуется волноводный ПС с перепадом показателя преломления nm = nm – no (115)·10–3, где no – показатель преломления в объеме стекла равный no = 1,4390 при = 0,6328 мкм.В дальнейшем этим методом исследовалось изменение спектра модовых показателей преломления {nm} при хранении оптических элементов на воздухе в комнатных условиях после полирования, вакуумирования и во влажной атмо сфере.

Для исследования изменений спектра модовых показателей преломления ПС {nm} после вакуумирования была изготовлена кварцевая кювета, которая перед откачкой воздуха промывалась в спирто–ацетоновой смеси, а затем кю вета прогревалась для удаления остатков органических соединений и обезга живания поверхности ее стенок. В подготовленную таким способом кювету по мещались образцы полированного стекла ЛК1 с волноводным ПС. В дальней шем производилась откачка воздуха из кюветы до давления остаточных газов Рост.~3·10–3 Па, затем кювета отпаивалась и хранилась при комнатной темпе ратуре в течении t~40 суток. Влажная атмосфера для хранения стекол соз давалась в эксикаторе частично наполненном водой и снабженным прони цаемой перегородкой для размещения образцов. Температура внутри эксикатора поддерживалась в пределах Т=2530оС. Относительная влажность атмосферы хранения составляла 90100%. При хранении элементов на воздухе в комнатных условиях с течением времени t увеличивается число мод "m" и значение модовых показателей пре-ломления nm (рис.7,а). Прирост абсолютных значений nm с течением времени хранения замедляется, и в первую очередь, для мод низких порядков, залегающих наиболее близко к поверхности, а затем для более глубоких мод, т.е. с большим номером m. Результатом вакуумирования (рис.7,б) является уменьшение значений модовых показателей преломления nm.

При этом наибольшие изменения наблюдаются для мод низких порядков, зале гающих наиболее близко к поверхности. По окончании вакуумирования и при хранении образцов на воздухе наблюдается интенсивный рост значений nm (рис.7, б, линия В).

Рис.7 Изменение спектра модовых показателей преломления волноводного повер хностного слоя стекла ЛК1 (а,б,в) и стекла ЛК6 (г) при хранении: а) в атмо сфере воздуха для двух полированных образцов в одном блоке;

б) А – после полирования и хранения на воздухе;

Б – после вакуумирования;

В – при после дующем хранении в атмосфере воздуха;

в) во влажной атмосфере (пунктирные линии (m)), контрольная партия – сплошные линии (m/);

г) кривая 1 – во влажной атмосфере;

кривая 2 – в атмосфере воздуха;

3 – в вакууме.

Если в исходном состоянии значения модовых показателей преломления nm=nm/, то с течением времени хранения образцов во влажной атмосфере (штрих–пунктирная линия, рис.7, в) наблюдается прогрессирующее увеличение значений nm по сравнению со значениями nm/ для контрольной группы образцов.

Для всех образцов величина прироста модовых показателей преломления nm имеет наибольшее значение для мод низких порядков, залегающих ближе к поверхности. Следует отметить, что трансформация оптического профиля ПС при хранении во влажной атмосфере происходит с большей скоростью, чем при хранении в атмосфере воздуха.

На рис.7,г представлено изменение показателя преломления nm одномо дового волноводного ПС стекла ЛК6 при хранении во влажной атмосфере (кривая 1), атмосфере воздуха (кривая 2) и вакууме (кривая 3). Качественно эти изменения аналогичны изменениям nm(t) для стекла ЛК1, но количественные изменения оптических параметров ПС стекла ЛК6 показывают, что параметры ПС стекла ЛК6 гораздо стабильнее ПС стекла ЛК1 ( точки А соответствуют времени хранения t~300 суток;

точки Б – времени хранения t~600 суток).

На рис.8 показано влияние процесса термообработки стекла ЛК1 в ат мосфере воздуха на оптические характеристики 4–х модового волноводного ПС. Видно, что вначале изменение во времени модовых показателей прелом ления nm на исходной полированной поверхности протекает обычным образом (участок I). Термообработка при те-пературе Т=250 оС в течении времени t= часа (момент термообработки обозначен как ТоС ) приводит к исчезновению всех мод, кроме од-ой, для которой значение модового показателя преломления nm=1 существенно уменьшается. Через сутки в ПС появляется вторая мода (m=2), через 16 суток – третья мода (m=3) и т.д. (участок II). При этом прирост значений nm происходит более интенсивно, чем при хранении оптического элемента сразу после полирования.

Рис.8. Изменение спектра модовых показателей преломления (а), эффективных значений показателя преломления (б) и толщины (в) ПС стекла ЛК1 в про цессе термообработки.

Термообработка и одновременное измерение эллипсометрических пара метров осуществлялось с использованием специальной термоячейки, устано вленной на предметном столике эллипсометра ЛЭФ–3М. На рис.8,б,в пред ставлено изменение эффективных значений показателя преломления n* и тол щины d* ПС образца, волноводный слой которого в исходном состоянии со держал 3 моды. Дальнейшее изменение значений n* и d* определяется следую щими режимам термообработки: участок А–Б – нагревание образца до Т= о С со средней скоростью Vср.=4 град/мин;

участок Б–В – изотермическая вы держка в течении t~1,5часа;

участок В–Г – инерционное охлаждение термо ячейки в течении t~5 часов;

Г–Д – хранение образцов вместе с термоячейкой в атмосфере воздуха в течении 2–х суток.

При сопоставлении результатов эллипсометрии и Оже– спектроскопии можно заключить, что оптические параметры конечного физико–химического состояния ПС после термообработки есть результат перераспределения в стекле кислорода и фтора и уменьшения их относительного содержания (рис.9).Что касается промежуточных стадий, то однозначных связей с Оже–экспериментом здесь нет из-за очевидной разницы физико–химических процессов происходящих в ПС стекла в атмосфере воздуха и в высоком вакууме.

В последнем случае наблюдению динамики линий кислорода при охлаждении препятствует адсорбция углерода на поверхности образца.

Кроме того, в условиях вакуума исключается доступ атмосферной влаги к поверхности образца и соответствующие концентрационные изменения, происходящие в ПС, развиваются только за счет внутренних ресурсов.

Рис.9 Линии Оже–спектров (а) кислорода OKLL и фтора FKLL после удаления поверх ностного углерода и изменение их относительной интенсивности при облу чении поверхности электронами (б).

в) изменение интенсивности линий OKLL (кривые 1,3) и FKLL (кривые 2,4) при нагревании (кривые 1,2) и охлаждении (кривые 3,4) стекла ЛК1;

кривая 5 – линия углерода при охлаждении;

г) концентрационные профили кислорода (кривые 1,2) и фтора (кривые 3,4) при полировании стекла ЛК1 (1, 3) и после термообработки (2, 4).

Предложен новый методический подход к анализу и расчету оптическо го профиля волноводных ПС свободный от указанных выше недостатков.

Метод основан на сопоставительном анализе поляризационно–оптических ха рактеристик волноводного ПС, полученного экспериментальным путем ме одами эллипсометрии и волноводной спектроскопии и совместном решении обратной задачи эллипсометрии и уравнения ВКБ. Если метод эллипсометрии позволяет достаточно уверенно определять оптические характеристики волно водного слоя в приповерхностной области, то метод волноводной спектро скопии в области zdmax, где dmax – максимальная толщина ПС, за пределами которой однозначно дать оценку показателя преломления методом эллип сометрии невозможно.

Совместное решение обратной задачи эллипсометрии и ВКБ позволяет получить полный оптический профиль маломодового волноводного ПС фтор содержащего стекла ЛК1, который состоит из сильно градиентной приповер хностной области толщиной до 1,5–2 мкм, и слабоградиентной волноводной области, толщина которой определяется процессами взаимодействия поверх ности стекла с внешней окружающей средой. Эти результаты соответствуют изменению концентрации фтора по глубине волноводного ПС полученного ме тодом спектрометрии резонансной ядерной реакции:

F + p 16 O + +. (17) Учитывая гидролизный характер образования неоднородной структуры поверхностных слоев фторсодержащих стекол, необходимо отметить не соответствие существующей классификации химической устойчивости рассмотренных силикатных стекол с полученными экспериментальными результатами. Здесь все четыре типа стекла в отношении химической устойчивости к влажной атмосфере классифицированы группой А.

Между тем из полученных результатов следует, что стекла типа ЛК1 и ЛК6 взаимодействуют с водой в большей степени, чем два другие (ЛК3 и ЛК8). Это заставляет в дальнейшем разработать новую методологию определения химической устойчивости силикатных сте-кол, используя при этом эллипсометрические и ядерно–физические методы диагностики физико–химического состояния поверхности оптических элементов с волноводными поверхностными слоями.

Исследована кинетика процессов стационарного и нестационарного вы щелачивания поверхностных слоев полированных свинцовосиликатных стекол в слабокислых растворах соляной и уксусной кислот и предложен эллип сометрический метод определения химической устойчивости силикатных сте кол к слабокислым растворам, который соответствует нормативным требо ваниям к определению химической устойчивости силикатных стекол методом рефлексометрии.

Методами эллипсометрии, электронной Оже-спектрометрии и ВИМС исследованы особенности физико–химических процессов выщелачивания по-верхностного слоя при химической, ионно– плазменной и электронно–лучевой обработки свинцовосиликатных стекол. Показано, что в процессе выщела-чивания многокомпонентных стекол формируется двухслойная структура ПС: в приповерхностной области образуется слой с показателем преломления меньше объемного значения, в глубине ПС, вследствие сегрегации щелочных компо-нентов, формируется слой с высоким показателем преломления.

Разработана методика элипсометрического анализа напряженно–дефор мированного состояния элементов в их оптических соединениях и определении оптических характеристик зоны оптического контакта с учетом физико–хими ческого состояния ПС сопрягаемых элементов.

Все предложенные методики подтверждены экспериментально и в при ложении представлены акты внедрения результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основании проведенных в диссертационной работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан метод решения задачи отражения поляризованного света от неоднородных анизотропных слоев, основанный на применении теории метода возмущений к соотношениям Абеле для многослойной осесимметричной ани зотропной оптической системы. Метод позволил с одной стороны получить в аналитическом виде уравнение эллипсометрии для неоднородных и анизотроп ных поверхностных слоев, с другой определить границы применимости макро– и микроскопических подходов к анализу поляризационно–оптических свойств неоднородных поверхностных слоев элементов оптоэлектроники.

2. Получено уравнение эллипсометрии для многослойной отражающей системы «неоднородный слой - шероховатая поверхность - неоднородная под ложка», на основании которого разработан метод определения параметров шероховатости при наличии на поверхности оптических элементов неодно родного поверхностного слоя. Сопоставление результатов измерения па раметров шероховатой поверхности оптических элементов методом эллипсо метрии с данными полученными методами профилометрии и спекл–интерфе рометрии показало, что метод эллипсометрии позволяет определять среднеква дратическую высоту микрорельефа =5120 с погрешностью S25 при значениях среднеквадратического шага микрорельефа S=0,022 мкм.

3. В рамках широкого круга моделей отражающих систем установлено, что тип поляризации отраженного светового пучка и величина отклонения угла поляризации относительно угла Брюстера определяется структурой неоднородной отражающей системы. Это позволяет в рамках метода эллипсометрии различать эффекты в изменении состояния поляризации отраженного светового пучка вызванные наличием на поверхности оптических элементов шероховатых, поглощающих и неоднородных слоев с различным видом оптического профиля.

4. Разработан метод определения потерь излучения в поверхностном слое оптических элементов и показателя ослабления излучения в стеклах, основан ный на сопоставительном анализе экспериментальных данных полученных ме тодами спектрофотометрии и эллипсометрии.

5. Изучена кинетика и механизм формирования волноводных поверхнос ных слоев на фторсодержащих стеклах при различных внешних воздействиях окружающей среды (атмосферы воздуха, влажной атмосферы, вакуума) и теп ловой обработки стекла. Показано, что образование волноводных слоев про исходит в процессе гидролитической деструкции поверхностного слоя, а волно водные ПС являются гидролизными.

6. Одновременное использование методов эллипсометрии и волноводной спектроскопии в измерительной системе технологического контроля оптичес ких элементов при совместном решении обратной задачи ВКБ и эллипсоме трии позволяет реконструировать оптический профиль маломодовых волново дов неразрушающим способом.

7. Изучены основные закономерности изменения поляризационно–опти-ческих и физико–химических свойств поверхностных слоев в процессе стацио-нарного и нестационарного выщелачивания силикатных стекол. Установлено, что кинетика выщелачивания ПС многокомпонентных силикатных стекол в слабокислых водных растворах происходит в два этапа: на ранней стадии формируется ПС с показателем преломления выше объемного значения, при дли-тельном процессе выщелачивания ПС формируется слой по структуре близкий к структуре кремнекислородной матрицы стекла.

8. Разработан эллипсометрический метод определения химической устойчивости поверхности оптических элементов, который по нормативным тре-бованиям соответствует рефлексометрическому методу, но позволяет по кине-тике изменения оптических параметров ПС различать процессы стационарного и не стационарного выщелачивания многокомпонентных силикатных стекол ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Землянский В.С., Новиков А.А., Степанчук А.А., Храмцовский И.А.

Критерии качества оптических элементов ионых и эксимерных лазеров выпол ненных из кристаллического и плавленного кварца // Труды VII Между народной конференции «Прикладная оптика – 2006»: Оптические материалы и технологии. СПб, 2006, Т.2, С. 55.

2. Землянский В.С., Новиков А.А.,Степанчук А.А,.Храмцовский И.А По ляризационно-оптические методы контроля физико-химического сос- тояния поверхности элементов в оптических соединениях деталей // Труды VII Меж дународной конференции «Прикладная оптика – 2006» : Компьютерные техно логии в оптики. СПб, 2006, Т.3, С.248.

3. Землянский В.С. Поляризационно–оптические методы контроля эле ментов интегральной и градиентной оптики // Труды IV Межвузовской кон ференции молодых ученых: СПб ГУ ИТМО. 2007. С.47.

4. Землянский В.С., Степанчук А.А., Храмцовский И.А., Горляк А.Н. Эл-липсометрический метод технологического контроля элементов лазерной тех-ники и градиентной оптики// Научно– технический вестник СПб ГУ ИТМО: Современные технологии, 2007.

вып 43. С. 81–87.

5. Степанчук А.А, Сычев М.М., Землянский В.С., Пшеницын В.И., Храм-цовский И.А. Туркбоев А., Гидролизный механизм формирования вол новодных слоев в фторсодержацих системах // Научно–технический вестник СПб ГУ ИТМО: Современные технологии, 2007. вып 43. С. 97–104.

6. Землянский В.С., Новиков А.А, Храмцовский И.А., Степанчук А.А.

Особенности физико-математического моделирования структуры неоднород ных поверхностных слоев элементов оптоэлектроники // Межвузов. Сб.: Не разрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и про мышленных изделий» / Под ред. А.И.Потапова, СПб: СЗТУ. 2007, вып.14.

C. 7. Землянский В.С., Прокопенко В.Т.,.Храмцовский И.А, Степанчук А.А., Пшеницын В.И., Влияние окружающей среды на физико–химическую струк туру фторсодержащего силикатного стекла // Межвузов. Сб.: Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий / Под ред. А.И.Потапова, СПб: СЗТУ. 2007, вып.14. C.194206.

8. Землянский В.С, Пшеницын В.И., Степанчук А.А., Храмцовский И.А.

Кинетика и механизм формирования поверхностных слоев фторсодержащих стекол // Физика и химия стекла, 2008, Т.34, №2, С.170181.

9. Землянский В.С., Степанчук А.А., Сычев М.М., Храмцовский И.А. Влияние структуры поверхностного слоя кварцевого стекла на потери излу-чения в ультрафиолетовой области спектра // Физика и химия стекла, 2008, Т.34, №3, С.326–335.

10. Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А, Землянский В.С., Лисицын Ю.В., Секарин К.Г. Эллипсометрия оптических соединений элементов оптоэлек троники // Приборостроение. Изв. ВУЗОВ, 2008. Т.51, №10, С.59–67.

11. Землянский В.С., Храмцовский И.А., Горляк А.Н., Степанчук А.А.

Методы эллипсометрического анализа поляризационно-оптических свойств неоднородных поверхностных слоев элементов оптоэлектроники // Опт. и спектр., 2008. том 105. № 2. С.346–351.