>>

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.Обзор литературы, посвященной применению монокристаллов, свидетельствует о существенной и все возрастающей роли в оптике, оптоэлектронике и фотонике, а также в других областях приборостроения. Анализ результатов развития технологии выращивания кристаллов, применяемых в оптических целях, показывает, что наряду с увеличением размеров и улучшением структурного и оптического качества, проблемы улучшения оптической однородности кристаллов остаются актуальными. Наиболее важными являются взаимосвязанные характеристики монокристаллов, которые определяются внутренними и поверхностными дефектами, включая дислокации, границы блоков, включения разных типов, примеси фоновые и легирующие, шероховатость оптических поверхностей, напряжения и др.:

Однородность показателей преломления влияет на уровень шумов в изображениях и разрешение оптических приборов.

На коэффициент пропускания в кристаллах влияют потери излучения, связанные с поглощением и рассеянием.

Лазерная прочность (лучевая лазерная стойкость, лазерный порог разрушения) определяет порог разрушения материалов, что особенно важно при использовании мощных и сверхмощных, непрерывных и импульсных лазеров.

Оптические аномалии макроуровня (анизотропия свойств кристаллов, аномальная двуосность одноосных кристаллов), их наличие снижает эксплуатационные характеристики приборов.

Шероховатость поверхности влияет на индикатрису диффузного рассеяния.

Таким образом, актуальность исследования обусловлена повышением требований к оптическим характеристикам кристаллов для современных приборов и устройств. Также необходимостью совершенствования методов выявления оптических неоднородностей в монокристаллах; необходимостью классификации и получения численной оценки оптических неоднородностей; необходимостью совершенствования теоретических и экспериментальных методов оценки влияния рельефа оптических поверхностей на параметры светового потока, проходящего через кристалл с объёмными дефектами структуры.

Цель диссертационной работы- исследование неоднородностей монокристаллов и оптических аномалий, обусловленных внутренними дефектами структуры и шероховатостью поверхностей монокристаллов.

Для достижения цели были решены следующие основные задачи:

• Анализ данных о физических причинах проявления в монокристаллах оптических аномалий и неоднородностей, об их связи с дефектами структуры различных типов, о современных методах выявления и численной оценки параметров оптических неоднородностей, в частности, монокристаллов германия и парателлурита.

• Разработка метода расчета коэффициентов пропускания света кристалла с заданными концентрациями дефектов структуры, основанного на модели траекторий фотонов.

• Разработка и тестирование программы расчета индикатрис диффузного отражения и пропускания света поверхностями кристалла в рамках представлений геометрической оптики.

• Разработка математических и компьютерных методов анализа коноскопических картин одноосных монокристаллов и расчет параметров оптических аномалий на примере монокристаллов парателлурита.

• Исследование неоднородностей в монокристаллах германия с помощью тепловизионной техники.

• Исследование влияния нагрева на шероховатость поверхности монокристаллов германия.

• Исследование влияния выделения тепла в светозвукопроводах акустооптических устройств, при различных мощностях и частотах ультразвука, на искажения оптической индикатрисы пропускания кристаллов парателлурита.

Научная новизна работы.В результате проведенных исследований получены следующие результаты:

• Разработаны и протестированы программы расчета индикатрисы светового потока, падающего на монокристалл с известным распределением внутренних дефектов и известным микрорельефом оптических поверхностей.

• Разработаны методы анализа коноскопических картин, позволяющие путем компьютерного сравнения изображений изохром обнаруживать, классифицировать и вычислять характеристики оптических аномалий в кристаллах.

• С помощью тепловизионной аппаратуры и метода коноскопии получены данные об искажении оптической индикатрисы в светозвукопроводе акустооптических устройств - дефлекторов и электронно-перестраиваемых фильтров (на основе монокристаллов парателлурита) при различных частотах и мощностях ультразвука.

• Впервые выявлены необратимые изменения шероховатости поверхности монокристаллов германия, вызванные процессами массопереноса на наноуровне при нагреве, приводящие к снижению оптического пропускания.

• Впервые исследовано распределения легирующей примеси в кристаллах германия тепловизионным методом.

Практическая значимость.Разработанные и проверенные методики измерений и программы расчета коэффициента пропускания и отражения света могут применяться при измерениях оптических параметров и контроле оптической однородности различных монокристаллов в научных организациях и на предприятиях, выпускающих устройства оптики, оптоэлектроники и фотоники.

Метод лазерной коноскопии, дополненный компьютерной программой и математическим аппаратом для анализа коноскопических картин, может применяться при контроле оптического качества одноосных кристаллов, прозрачных в видимом диапазоне. Кроме того, он может применяться для непосредственных наблюдений и исследований влияния тепловыделения в работающих акустооптических устройствах на оптическую однородность светозвукопроводов.

Метод тепловизионной дефектоскопии, испытанный в работе при поиске объемных структурных дефектов в кристаллах германия, может применяться для контроля однородности крупногабаритных полупроводниковых монокристаллов, например, кремния, арсенида галлия, фосфида индия.

Разработанный способ расчета индикатрис пропускания и диффузного рассеяния света поверхностями кристаллов адаптирован для решения задач, связанных с уменьшением заметности объектов в оптическом диапазоне, а также с увеличением прозрачности оптических элементов с помощью создания на их поверхности специального микрорельефа.

Методология и методы исследований.При исследованиях оптической однородности прозрачных в видимом диапазоне монокристаллов парателлурита, при выявлении однородности показателей преломления, свилей, аномальной двуосности, а также клиновидности элементов из кристаллов использован метод лазерной коноскопии. При исследованиях микрорельефа и нанорельефа оптических поверхностей монокристаллов применялся метод интерференционной профилометрии. Искажения оптической индикатрисы монокристаллов парателлурита, возникающие вследствие выделения тепла в светозвукопроводах работающих акустооптических устройств, исследованы с помощью

тепловизионной аппаратуры. Эксперименты по обнаружению объемных структурных дефектов в крупногабаритных монокристаллах оптического германия проведены методом тепловизионной дефектоскопии. Измерения коэффициентов пропускания и отражения излучения монокристаллами германия и парателлурита осуществлены в видимом и инфракрасном (до 20 мкм) диапазонах спектрометрическим методом.

Создание модельных антиотражающих рельефов на поверхности оптических элементов из монокристаллов парателлурита осуществлялось методом химического травления.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту.

? Использование математических моделей распространения световых потоков через монокристаллы, разработанных на основе законов корпускулярной и геометрической оптик, учитывающих микрорельеф реальных поверхностей и концентрации объемных дефектов структуры, позволяет с высокой точностью получать данные о конечных параметрах светового потока, изначально падающего на кристалл (индикатрисы пропускания, отражения и рассеяния; распределение в материале поглощённого излучения).

? Оптические аномалии, связанные с дефектами структуры и внешним воздействием, эффективно обнаруживаются и классифицируются методом лазерной коноскопии с помощью математического анализа искажений геометрии изохром и сравнения изображений коноскопических картин путем вычитания, которые позволяют рассчитать изменения коэффициентов преломления.

? Неоднородное распределение электроактивных примесей, как и дефекты структуры в объеме монокристаллов германия, выявляются с помощью тепловизионной дефектоскопии.

? Нагрев монокристаллов германия приводит к необратимой перестройке структуры рельефа полированной поверхности на уровне нескольких нанометров и к уменьшению коэффициента пропускания излучения в спектральном диапазоне прозрачности.

Достоверность результатов.Достоверность результатов, полученных в диссертации, обосновывается экспериментальной проверкой теоретических положений, выполненной с помощью современных методов и аппаратуры, апробацией на научных конференциях, публикациями в рецензируемых изданиях, а также практическим использованием при измерениях параметров оптического качества монокристаллов германия и парателлурита, по итогам которых образцы, прошедшие метрологические испытания, установлены в действующих оптических, акустооптических и лазерных устройствах.

По результатам исследования автором работы опубликовано 38 научных работ, из них 13 - в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 патента на изобретения, 1 заявка на изобретение (положительное решение), 4 свидетельства на программы для ЭВМ.

Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы были представлены на International Conference on Functional Materials and Nanotechnologies 2013, FM and NT 2013, 24 April 2013, Tartu (Estonia); 12th School on Acousto-Optics and Applications, June 2014, Druskininkai (Lithuania); 12th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity, RCBJSF 2014 and 9th International Conference on Functional Materials and Nanotechnologies, FM and NT 2014, 29 Sep - 2 Oct 2014, Riga (Latvia); 44th Winter School on Wave and Quantum Acoustics, 2-6 March 2015, Szczyrk (Poland); International Congress on Ultrasonics, 18-20 December 2017, Honolulu, Hawaii; VII Международной конференции «Фотоника и информационная оптика», НИЯУ МИФИ, 24-26 января 2018 г. (Москва); 3-й Международной научно-практической конференции, 19-20 апреля 2018 г. (Омск); XII международной конференции «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», 21-25 мая 2018 г. (Екатеринбург); VIII Международной конференции «Фотоника и информационная оптика», НИЯУ МИФИ, 23-25 января 2019 г. (Москва).

Работа по теме диссертации проводилась в соответствии с проектом «Разработка физических принципов и методов управляемого влияния микрорельефа поверхностей оптических материалов на их прозрачность» (ГЗ, проект 4.6469.2017/8.9 и 3.5786.2017/8.9); в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» (соглашение 14.577.21.0004 (RFMEFI57714X0004); соглашение

14.574.21.0113 (RFMEFI57414X0113)).

Структура и объем диссертационной работы.Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 150 страниц основного текста, 91 рисунок, 5 таблиц, 125 наименований цитируемой литературы.

Личный вклад автора.Диссертантом совместно с научным руководителем проводились: выбор темы, постановка цели и задач исследований, планирование работы и структуры диссертации. В теоретической части работы автором сформулированы алгоритмы для математических моделей, проведены виртуальные эксперименты и проанализированы полученные результаты. В экспериментальной части

работы автором самостоятельно были разработаны методы оценки однородности монокристаллов, проведены исследования влияния дефектов структуры и шероховатости поверхности, а также процессов нагрева на оптическую однородность монокристаллов с помощью оптического профилометра NanoMap WLI 1000, тепловизионной камеры FLIR T250 и оптических схем регистрации коноскопических картин, проведены расчеты, обработаны полученные результаты.

| >>
Источник: Третьяков Сергей Андреевич. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ И МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОПТИЧЕСКУЮ ОДНОРОДНОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Тверь - 2019. 2019

Еще по теме ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:

  1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
  4. 1. Общая характеристика особенной части административного права
  5. 1. Производство по делам об административных правонарушениях: общая характеристика
  6. Основные задачи и интегральные физические характеристики, рассматриваемые в работе
  7. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах
  8. основные характеристики используемых наноразмерных порошков
  9. Характеристика порошка Cu
  10. Взаимосвязь интегральных физических характеристик пластинок с коэффициентом формы
  11. Характеристики порошка аморфного бора