Лазерная термометрия
Cтраница 1
Лазерная термометрия основана на дистанционном измерении темпера-турно-зависимых параметров твердых тел с помощью зондирующего светового пучка и определении искомой температуры по известной температурной зависимости измеренного параметра. Рассматриваются принципы, особенности и ограничения ряда новых методов бесконтактного измерения температуры твердых тел. Проведено сравнение различных лазерных методов по ряду критериев, важных при практическом применении: чувствительности, инерционности, помехозащищенности, производительности измерений, сложности оптической схемы. Лазерная термометрия применяется в условиях, где традиционные методы оказались неэффективными: при взаимодействии газоразрядной плазмы, ионных или лазерных пучков с поверхностью, при нанесении тонких пленок и травлении микроструктур интегральных схем. [1]
Лазерная термометрия неразрывно связана с комплексом представлений оптики и спектроскопии твердого тела. В основе любого из лазерных методов лежит температурная зависимость какого-либо оптического параметра твердого тела, определенный способ облучения объекта и регистрации сигнала, содержащего информацию о температуре. По данным измерений определяются параметры модели, описывающей взаимодействие излучения с объектом. Даже незначительные несоответствия между экспериментальной схемой и моделью, на основе которой проводятся вычисления, могут приводить к существенным ошибкам при определении температуры. Поэтому применение лазерной термометрии требует детального понимания принципов, особенностей и пределов применимости каждого из методов. [2]
Методы лазерной термометрии поверхности можно применять в широком диапазоне температур, практически совпадающем с диапазоном существования твердой фазы. Методы, основанные на отражении света, активно используются для термометрии поверхности металлов и полупроводников. По отражению света проводится микротермография элементов интегральных схем ( транзисторов, металлических соединений) с пространственным разрешением порядка длины волны зондирующего света и временным разрешением порядка наносекунды. Метод отражательной термометрии ближнего поля позволяет улучшить пространственное разрешение примерно на порядок. [3]
Химические превращения на поверхности существенно затрудняют проведение лазерной термометрии. В противном случае коэффициент отражения металла изменяется за счет интерференции в пленке существенно сильнее, чем за счет изменения температуры. Если условие h C Л / 4п не выполняется, возможен переход к более длинноволновому зондированию. [4]
Фактически именно из-за размытости края поглощения в прямозон-ных кристаллах возможна лазерная термометрия, основанная на регистрации изменений отражения или пропускания монохроматического света в конечном интервале температур. [6]
В дальнейшем представляется необходимым создание базы данных, содержащей температурные зависимости параметров, применяемых в лазерной термометрии твердых тел, а также оценку надежности этих зависимостей. [7]
На стыке возможностей оптики и спектроскопии твердого тела и потребностей новых технологий возникло новое направление - лазерная термометрия твердых тел. Трудности и ограничения, присущие традиционной термометрии, были преодолены путем создания сразу нескольких новых методов, положивших начало активной термометрии твердых тел, которая проводится путем зондирования изучаемого объекта внешним оптическим ( обычно лазерным) пучком. [8]
Первая глава содержит введение в проблему термометрии твердого тела, обоснование необходимости новых методов для развития микротехнологии и постановку задачи по разработке лазерной термометрии. Во второй главе приведены сведения о взаимодействии света с твердыми телами, об оптических свойствах металлов, полупроводников и диэлектриков и о температурных зависимостях, лежащих в основе ЛТ. Глава 3 содержит данные по температурным зависимостям оптических параметров твердых тел. Главы 4 - 7 посвящены рассмотрению методов ЛТ, основанных на измерении интенсивности, поляризации, расходимости светового пучка, времени высвечивания, особенностей спектра после взаимодействия излучения с исследуемым объектом. ЛТ, сравниваются их измерительные характеристики. [9]
Автор признателен своим коллегам И. И. Амирову, А. Ю. Гасилову, О. В. Лукину, С. В. Меркулову и Е. В. Мудрову, в соавторстве с которыми выполнен ряд работ по лазерной термометрии полупроводников и диэлектриков в газоразрядной плазме. [10]
Применение нелинейной оптики для термометрии твердых тел в настоящее время ограничено единичными публикациями вследствие сложности методов и установок, а также достаточности ресурсов линейной оптики для решения большинства задач лазерной термометрии. По этой причине настоящий раздел содержит лишь беглое упоминание о нелинейно-оптической диагностике твердых тел. Вероятно, по мере усложнения задач, стоящих перед термометрией твердых тел, методы нелинейной оптики станут применяться шире. [11]
Создание универсального метода, объединяющего все перечисленные свойства, является трудной и, вероятно, неосуществимой задачей. Однако группа специализированных методов лазерной термометрии твердого тела представляет собой в целом хорошее приближение к решению задачи, что и делает эти методы наиболее перспективными именно для применения в плазменных и плазмохимических исследованиях, а также для контроля в реальном времени в процессах микротехнологии. [12]
Следующий этап развития ЛТ твердых тел будет, вероятно, характеризоваться более широкой проработкой метрологических и конструкторских проблем, что позволит этому исследовательскому направлению стать областью измерительной техники. Важнейшей задачей является серийное производство приборов лазерной термометрии. [13]
Любая плоскопараллельная прозрачная пластинка представляет собой эталон Фабри-Перо для падающего на нее света. Резонансные свойства пластинок широко используются для лазерной термометрии. [14]
Если уравнение содержит параметры, зависящие от температуры и не вычисляемые из первых принципов, термометрия называется вторичной, для проведения измерений необходима градуировка. Этот класс включает множество методов и устройств, в том числе наиболее распространенные в технике жидкостные термометры, термопары и термометры сопротивления. Методы лазерной термометрии твердого тела также относятся ко вторичной термометрии. [15]
Страницы: 1 2