CC BY
7ВКВО-2023- ДАТЧИКИ
ПРИМЕНЕНИЕ ТОРЦЕВОГО ОПТОВОЛОКОННОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ТЕРМООПТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Старостин А.А. *, Гурашкин А.Л., Котов А.Н., Шангин В.В.
Институт теплофизики УрО РАН, г. Екатеринбург * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-306-306
Для решения задачи бесконтактного контроля приповерхностных слоев, покрытий в микроэлектронной технологии, изучения многокомпонентных структур и материалов может быть применен метод изучения локальных тепловых процессов, использующий сочетание принципов лазерной диагностики и метода оптической терморефлектометрии по методу «накачка-зондирование» («pump-probe»). Импульсное лазерное излучение (pump) возбуждает в образце температурную неоднородность, скорость релаксации которой несет информацию о теплофизических свойствах облучаемой области. Параметры температурной релаксации неоднородности определяются по синхронному с нагревающим импульсом изменению амплитуды отраженного излучения зондирующего (probe) лазера [1]. Изучение особенностей термоотражения при релаксации локальной температурной неоднородности в приповерхностном слое полупроводникового материала позволяет проследить изменения в электронной подсистеме образца при действии различных внешних факторов, например, температуры и магнитного поля. Изменения в электронной структуре на поверхности образца могут приводить к изменениям концентрации носителей и отражения излучения. Зачастую такие исследования необходимо проводить на малых образцах в стесненных условиях малогабаритных измерительных ячеек в имеющихся установках без оптических окон, в связи с чем затруднено использование крупногабаритных оптических схем и оборудования.
Современное развитие оптических микротехнологий сделало возможным построение подобной системы для оценки локальных тепловых свойств образцов на базе оптоволоконных элементов [2,3]. Современные одномодовые световоды с диаметром сердцевины около 10 мкм позволяют передать излучение на поверхность образца с соответствующей локальностью. Вблизи торца световода на расстоянии в несколько десятков микрометров существует область слабо расходящегося излучения достаточно высокой интенсивности для быстрого нагрева поверхности образца. Оценки показали возможность применения источников нагревающего излучения с мощностью десятки-сотни милливатт. В имеющемся зазоре между торцом излучающего волокна и поверхностью образца создаются условия для интерференции Фабри-Перо отраженных лучей, которые необходимо учитывать при реализации схемы. В представленном термооптическом методе реализовано совмещение греющего (длина волны 1470 нм, номинальная мощность 100 мВт) и считывающего (длина волны 1530 нм, номинальная мощность менее 1 мВт) лазерных лучей в одномодовом световоде с выходом на поверхность образца вблизи торца световода. Отличительной особенностью разработанного метода является использование в нем эффекта термоотражения в сочетании с интерферометром Фабри-Перо, что позволило сделать метод чувствительным к изменению не только амплитуды, но и фазы отраженного оптического сигнала. Различие в размерах области нагрева и участка отражения зондирующего излучения в интерферометре позволило производить измерения в квазиизотермических условиях. Вариация длительности греющего импульса позволяет при прочих равных изменять глубину прогрева приповерхностного слоя, то есть изменять локализацию температурного возмущения на поверхности образца. Соответственно, можно изучать изменения скорости температурной релаксации и интенсивности приповерхностных теплообменных процессов.
В докладе будут отражены принципы работы и особенности реализации разработанного оптоволоконного устройства для импульсной терморефлектометрии, а также показана возможность изучения локальных тепловых процессов в приповерхностных слоях образцов по изменению термоотражения зондирующего излучения после импульса лазерного нагрева.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00789, https://rscf.ru/project/22-29-00789/.
Литература
1. N.Taketoshi, et al, High Temperatures High Pressures. 34, 29-59 (2002)
2. Starostin A.A., et al, Annalen der Physik. 532, 1900586-1900593 (2020)
3. А. Т.Лончаков, et al, Письма в ЖТФ. 49, 11-14 (2023)
306
№6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023»
