Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред, страница 14

Однако по нашей оценке ошибкаэкспериментальных данных составляла около 0,5% и полученный результат, в рамкахрассматриваемой модели, не соответствовал по точности экспериментальным данным. Навтором этапе была использована модель с дисперсионной зависимостью показателяпреломления (модель Коши): n(λ ) = A+ B / λ2 + C / λ4 , где A,B,C-параметры модели. Вультрафиолетовой и видимой областях спектра использовалась следующая моделькоэффициента поглощения: k (λ ) = D exp( − fλ ), где D,f-параметры. Оптическая толщина пленкив этом случае равнялась 1411,9 нм, показатель преломления изменялся от 2,04 при длиневолны 450 нм до 2,005 при длине волны 1155 нм.

Корень из функционала невязки составлял0,935, что также ниже точности экспериментальных данных. На третьем этаперассматривалась модель, предполагающая пространственную неоднородность показателяпреломления пленки,имеющая следующий вид: n * ( z,λ ) = q( z)n(λ ) −ik (λ ) . Дисперсионныезависимости n и k параметризуются с помощью моделей,рассмотренных выше, а q(z)полагается непрерывной или кусочно-непрерывной функцией, не зависящей от длиныволны. При расчетах использовалась информация о дисперсионной зависимости показателяпреломления, полученная на предыдущем этапе исследования.

В результате расчетов былополучено для корня квадратного из функционала невязки значение равное 0,536, чтопрактически соответствует по точности экспериментальным данным. Тем самым дальнейшееусложнение модели не имело смысла. Найденный профиль неоднородности представлен нарис.16.q1,21,11,00,950Рис.16Проведенные исследования других образцов пленок циркония привели к аналогичнымрезультатам.Кроме полученного подтверждения работоспособности и эффективности предложенногометода, необходимо отметить еще одно его несомненное достоинство - поэтапное введениемоделей пленки позволяет оценить вклад того или иного физического свойства в совокупныеволновые свойства диэлектрических пленок.2.Исследование электрофизических параметров полупроводников и диэлектриков наСВЧ.Полученные нами при анализе интерференционных явлений в слоистых средаханалитические соотношения, устанавливающие функциональную связь электрофизических игеометрических параметров различных по своим свойствам материальных сред с ихволновыми свойствами, естественным образом позволяют решать задачи, относящиеся кклассу обратных, т.е.

по измеренным волновым характеристикам среды определять ееэлектрофизические параметры и размеры. Нами было разработано и реализовано, взависимости от параметров и размеров материальных сред, довольно большое числолокальных методик определения электрофизических параметров полупроводниковых идиэлектрических слоев размещенных либо в СВЧ-волноводе, либо в свободном пространстве,либо обрамленных многослойными структурами резонансного или тонкослойного класса сизвестными волновыми характеристиками.

В настоящем докладе, в силу известных причин,изложим лишь те методики, которые представляют собой новый, оригинальный подход крешению обратных задач в проблемах неразрушающего контроля материалов на СВЧ.Одним из таких методов является предложенный нами метод так называемой“переменной нагрузки”, применимый для образцов с достаточной прозрачностью на СВЧ.Суть этого метода заключается в размещении плоскопараллельной пластины исследуемогоматериала в двух принципиально различных СВЧ-схемах:симметричной, когда слева исправа от исследуемого слоя одинаковые среды (незаполненный СВЧ-волновод или свободноепространство) и несимметричной, когда одна из сред заменяется на СВЧ-отражатель. Наоснове метода импедансных характеристик, развитого для решения задач распространенияволн в слоистых средах (см.

ч.I. настоящего доклада), аналитически были полученысоотношения для определения искомых электрофизических параметров исследуемых сред:ε/=P;2P +Q 2σ=k 0Qгде P=(KM+LN)/(M2+N2); Q=(LM-KN)/(M2+N2); K=Z0((D1D2,ρ 0 ( P 2 +Q 2 )A1A2)+Z0(D2-D1)tgk0dкз-(A1D2+D1A2)tgk0dкз);(A1D2+D1A2));D1,2=2 r ∆1−,12 sinϕ 1,2 ;1, 2L=Z0(Z0(A1-A2)tgk0dкз+(A1A2-D1D2)tgk0dкз-M=A1-A2-Z0;N=D1-D2+Z0tgk0dкз;∆1, 2= 1+r21, 2−2r cosϕ1,2 ;1, 2r1, 2иA1,2= ∆1, 2 (1- r );−121, 2ϕ -модуль и фаза измеренных1, 2коэффициентов отражения для симметричной и несимметричной СВЧ-схем соответственно.

В51качестве измерительной СВЧ-схемы можно использовать двунаправленный ответвитель смостовой СВЧ-схемой разделения двух каналов измерения. Переключение нагрузок ссоответствующей синхронизацией 1-го и 2-го каналов измерения осуществляется вращениемдиска с прорезями, установленного на расстоянии dкз от пластины (рис.17).Рис.17На основе предложенной методики можно, используя численную обработку измеренныхпараметров на ЭВМ в реальном времени, осуществлять экспресс-измерения комплекснойдиэлектрической проницаемости диэлектрических и полупроводниковых материалов снеизвестной и, кроме того, переменной толщиной.Особенно следует отметить, что предложенная методика обладает еще однимсущественным преимуществом. Как видно из приведенных соотношений, в них не входиттолщина исследуемой пластины d0, таким образом, эта методика не требует знания толщиныисследуемых образцов, что позволяет, во-первых, исключить обычные для других методовпогрешности в определении толщины образца, а во-вторых, существенно сократить времяизмерений и упростить их процедуру.

Кроме того,в данной методике существует возможностьвведения еще одного дополнительного информационного канала-частотного, т.е. проведениеизмерений на различных частотах в диапазоне перестройки СВЧ-генератора, что несколькоусложняет процедуру обработки массива данных, однако повышает разрешение и точностьметода, что особенно важно, если имеется некоторая пространственная неоднородность,например, проводимости слоя. С помощью метода переменной нагрузки нами былиисследованы свойства различных материалов (фторопласт, стекло, керамика, полиэтилен, Si,GaAs и Ge). Сравнение с результатами измерений другими хорошо известными методамиподтвердили работоспособность предложенной методики.Другая методика, предложенная нами для диагностики неоднородных сред,принципиально отличающаяся от развитых ранее,- это исследование свойств неоднородныхсред методом “полевого зондирования” (позже за ней закрепился термин “метод смещениястоячей волны”).

Актуальность проблемы определения формы пространственногораспределения различного рода неоднородностей в материалах методами СВЧ общеизвестнаи не требует подробного перечисления задач и направлений фундаментальных и прикладныхисследований, в которых решение этой обратной задачи существенным образом могло быспособствовать их успешному решению.

Перед нами эта задача возникла в связи сисследованиями явления кросс-модуляции на неравновесных носителях в полупроводникахпри воздействии на них оптического излучения. Проведенный нами теоретический анализвозникающих при этом процессов диффузии неравновесных носителей, показывал, что ихпространственное распределение может быть существенно неоднородным и, как былопоказано в ч.I., в значительной степени оказывать влияние на интерференционную картинураспространяющихся в полупроводниковом образце СВЧ-волн. Использование известных воптике методик спектрального исследования в диапазоне СВЧ встречало существенныетрудности в связи с относительно малым диапазоном частотной перестройки СВЧ52генераторов и полосы волноведущих СВЧ-линий передачи, что не давало возможностиполучить достаточный объем информации для решения такого рода обратной задачи. Сдругой стороны, наши результаты по формированию интерференционной картины вслоистых средах, особенно при размещении среды в несимметричную СВЧ-схему сотражателем,анализ влияния пространственного распределения напряженности СВЧ-поля всреде на ее волновые свойства, показывал, что меняя расстояние от СВЧ-отражателя дообразца,мы производим пространственное зондирование образца СВЧ-полем, причем, какпоказал анализ, от величины напряженности СВЧ-поля в данном сечении образцасущественным образом зависят его интегральные волновые свойства.