Исследование отражений поверхностных акустических волн с применением метода лазерного зондирования с опорной дифракционной решеткой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Окот, Сильвестер Макойово

• Окот, Сильвестер Макойово
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Окот, Сильвестер Макойово

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор литературы по методам исследования отражении ПАВ

1.1. Некоторые свойства поверхностных акустических волн (ПАВ).

1.2. Лазерные методы исследования акустоэлектронных устройств на ПАВ.

1.2.1. Метод прямого зондирования.;.

1.2.2. Метод ножевой ниафрагмы.

1.2.3. Гетеродинные методы.

1.2.4. Метод оптического зондирования с использованием опорных дифракционных решеток (ОДР).

1.3. Исследования отражений ПАВ.

1.3.1. Экспериментальные исследования отражений ПАВ от неоднородностей.

1.3.2. Экспериментальные исследования отражений ПАВ от угла клина.

1.3.3. О некоторых результатах теоретических исследований отражений ПАВ от угла клина.

1.3.4. Исследование отражений ПАВ от периодических структур.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование отражений поверхностных акустических волн с применением метода лазерного зондирования с опорной дифракционной решеткой»

Поверхностные акустические волны (ПАВ), широко используются в технике, в частности в таких ее областях как радиоэлектроника, телевидение и связь. Устройства на ПАВ применяются для обработки, усиления и генерирования радиосигналов. Широкое применение в* технике находят поверхностные волны Рэлея. Измерению свойств ПАВ, теоретическому и экспериментальному исследованию характеристик их распространения, отражения, излучения уделялось в последние десятилетия большое внимание.

При исследовании ПАВ и разработке устройств на ПАВ важны характеристики волн, такие как скорость распространения, затухание, изменение скорости при нанесении различных слоев на поверхность подложки, величина отражения от краев и препятствий, распределение амплитуд и фаз волнового поля на поверхности распространения волн. Весьма важна и актуальна при этом задача разработки и усовершенствования экспериментальных методов исследования свойств ПАВ и методик измерения их характеристик.

Для экспериментального исследования распределений акустических полей успешно применяются методы лазерного зондирования, которые позволяют проводить бесконтактные, невозмущащие измерения. Известны различные варианты практической реализации лазерного зондирования. Простое лазерное зондирование, основанное на измерении мощности излучения в первых порядках дифракционной картины, полученной в результате взаимодействия зондирующего лазерного пучка с ПАВ, позволяет измерять амплитудные распределения при довольно малых амплитудах ПАВ, порядка 10"1 - 10'2 А [1, 2]. Методы, использующие принцип оптического гетеродинирования, имеют еще более высокую чувствительность, порядка 10"3 А [2, 7], и позволяют проводить как амплитудные, так и фазовые измерения ПАВ, однако сложности при экспериментальной реализации препятствуют их широкому использованию.

Метод лазерного зондирования ПАВ с применением опорной дифракционной решётки (ОДР), используемый в настоящей работе, был предложен и разрабаган на кафедре радиофизики РУДН в 1980 - 1990 г. и описан в ряде статей [13 -20]. Этот метод сочетает высокую чувствительность гетеродинных методов с простотой экспериментальной реализации, стабильностью и надежностью. Он позволяет проводить как амплитудные, так и фазовые измерения ПАВ и наиболее эффективен в диапазоне длин волн ПАВ от 200 до20 мкм [48].

В настоящей диссертации ставится задача усовершенствования и развития методики экспериментального исследования отражений ПАВ с применением метода лазерного зондирования с ОДР. Следует отметить, что вопросу изучения отражений ПАВ, уделяется большое внимание. В научной литературе можно найти много работ, посвященных теоретическому анализу отражения ПАВ от края подложки, от канавок и других неоднородностей. Теоретический анализ отражений, даже для самых простых структур типа ступеньки или края подложки очень сложен. Точные решения не найдены, а разработанные теории дают результаты, значительно отличающиеся друг от друга [35, 37 - 41]. Поэтому наряду с теоретическим исследованием отражений большой интерес представляют экспериментальные измерения. В литературе описаны экспериментальные исследования отражений ПАВ с использованием разных методик. В ряде работ исследования, проводились с использованием импульсных сигналов [23, 25, 29, 32, 33, 34, 43]. Этим методом измерялись коэффициенты отражения от края подложки при различных углах клина, отражения от канавок, ступенек и некоторых других объектов на подложках из различных материалов. Импульсный метод, однако, не позволяет проводить прямое измерение частотных характеристик отражающих структур ввиду того, что спектр импульсного сигнала широк. Были предложены и применялись на практике интерференционные методики измерения отражения с использованием трех преобразователей, а также двух преобразователей и лазерного дифракционного зондирования [27]. Однако и эти методики не дают возможности исследовать частотные характеристики узкополосных отражающих структур.

Методика измерений отражений с применением лазерного зондирования с опорной дифракционной решеткой (JI3 с ОДР) была впервые описана в [46, 48]. Однако, в этих работах не было учтено влияния вторичных переотражений, которые искажают результаты измерений отражений. Характерным примером вторичных волн являются так называемая волна трехкратного прохождения, которая образуется в результате переотражения от возбудителя ПАВ. Эта волна складывается с прямой волной в некоторой фазе, которая зависит от частоты. В результате при измерениях коэффициента отражения волны от какой-либо неоднородности результаты измерений содержат дополнительные ошибки за счет влияния этой, так называемой «трехпроходной» волны. Поэтому одной из основных задач работы является нахождение условий, при которых ошибки измерений минимальны или находятся в допустимых пределах.

Целью настоящей работы является развитие методики измерений и изучение отражений ПАВ от различных структур с применением метода лазерного зондирования с ОДР, исследование стабильности измерений и обсуждение возможных способов уменьшения или устранения ошибок, вызванных различными факторами.

В настоящей работе были поставлены следующие задачи:

- Изучить различные методы измерений отражений ПАВ, их достоинства и недостатки;

- Провести теоретический анализ измерения отражений методом JI3 с ОДР с учетом вторичных волн, вывести уточненные формулы для амплитуды и фазы полезного сигнала и построить расчетные численные математические модели;

- Изготовить образцы и провести экспериментальные измерения на простых объектах типа однородного края подложки;

- Отработать методику измерений и определить степень влияния вторичных и всевозможных неучтенных в первом приближении факторов;

- Развить методику прямого измерения частотных характеристик отражения от объектов с узкой полосой отражения, таких как периодические структуры, состоящие из многих элементарных отражающих полосок. Изготовить образцы многоэлементных отражающих структур и провести измерения их частотных характеристик.

Дальнейшее изложение материала диссертации'строится по следующему плану.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Окот, Сильвестер Макойово

Основные результаты исследований, представленных в главе 3

1. Разработана и практически испытана новая методика измерений коэффициентов отражений ПАВ с использованием метода лазерного зондирования с опорной дифракционной решеткой. Весьма интересной особенностью данной методики является возможность детального прямого измерения амплитудно-частотных характеристик отражающих ПАВ объектов. Подобные измерения не могли быть осуществлены с применением других известных методов.

2. Проведены экспериментальные измерения зависимостей амплитуды и фазы сигнала на выходе канала лазерного зондирования от перемещения подложки при наличии отражения от края подложки. Полученные зависимости достаточно хорошо согласуются с зависимостями, рассчитанными на основе формул, полученных в главе 2. Предложены, проанализированы и испытаны две методики определения коэффициента отражений по результатам измерений зависимостей амплитуды полезного сигнала от координаты смещения подложки (или ОДР) и по результатам измерений зависимости фазы выходного сигнала от координаты смещения подложки (или ОДР). Дпя дальнейшего применения рекомендована первая (амплитудная) методика как менее трудоемная и более универсальная, работающая в широком диапазоне значений коэффициента отражения.

3. Проведены экспериментальные измерения модуля коэффициента отражения от краев подложек с разными углами клина (скоса) на краях. В отличие от измерений, выполненных исследователями в предыдущих работах, проведе ны детальные измерения зависимостей коэффициентов отражения объектов -краев подложек от частоты. Показано, что коэффициент отражения в исследуемом диапазоне частот практически (в пределах ошибок измерения) не зависит от частоты, что представляется естественным, но ранее не исследовалось экспериментально. Измерения отражений от края были проведены на образцах с разными углами клина от 55° до 90°. Таким образом, получены зависимости модуля коэффициента отражения от угла клина отражающего края подложки с усреднением по частоте и по точкам в пределах апертуры. Некоторые характерные особенности полученных зависимостей: минимумы отражения в районе 80° и 60°, максимум в районе 67° достаточно хорошо согласуются с данными измерений, опубликованных в литературе.

4. Методом J13 с ОДР проведены измерения зависимости модуля коэффициента отражения от частоты при отражении ПАВ от периодических структур, расположенных на поверхности подложки из ниобата лития. Для измерений были изготовлены 2 типа периодических структур, состоящих из металлических полос с периодом, равным длине волны и с периодом, равным половине длины волны. Результаты измерений указывают на существование высокого уровня отражений в резонансной полосе частот у обеих структур. Таким образом, применение новой методики измерений позволило получить новые данные об отражениях от периодических структур.

5. Представлена новая оригинальная методика и результаты экспериментальных измерений толщины тонких металлических пленок методом лазерного зондирования. Простота технической реализации в сочетании с достаточно высокой точностью измерений является достоинством методики и делает ее привлекательной для практического применения.

Заключение: основные результаты работы

Проведен уточненный теоретический анализ формирования полезного сигнала в схеме J13 с ОДР и получены уточненные формулы для расчета амплитуды и фазы сигнала на выходе схемы с учетом переотражений ПЛВ. Проведены компьютерные расчеты процесса зондирования с учетом переотраженных ПАВ и проведены оценки ошибок измерений.

Создана новая экспериментальная установка для проведения измерений отражений ПАВ. Проведены эксперименты, направленные на отработку методики измерений и исключение различных источников ошибок и помех. В частности, в процессе отработки методики получены новые экспериментальные результаты, выявляющие ранее не отмеченные эффекты при отражениях ПАВ, и новые, ранее не принимавшиеся во внимание источники вторичных волн.

С применением развитого метода J13 с ОДР проведены измерения характеристик отражений ПАВ от краев подложек с различными углами клина, лежащими в диапазоне углов от 55° до 90°. При этом впервые проведены измерения зависимостей коэффициентов отражения от частоты и показано, что коэффициент отражения практически не зависит от частоты, по крайней мере, в диапазоне рабочих частот возбудителя ПАВ.

Возможность детального измерения амплитудно-частотных характеристик-отражений - одна из интересных особенностей метода. В связи с этим были проведены измерения зависимости коэффициента отражения ПАВ от периодических структур, состоящих из металлических полос с периодом, равным длине волны и половине длины волны, на подложке из ниобата лития. Показано существование высоких отражений в резонансной полосе частот у обеих структур.

Таким образом, в соответствии с поставленными целями в настоящей работе развита и усовершенствована новая методика измерений отражении ПАВ с использованием метода ЛЗ с ОДР.

125

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Окот, Сильвестер Макойово, 2005 год

1. Лин Э.Г., Пауэли К.Г. Оптическое зондирование поверхностных зву-' ковых волн // ТИИЭР.-1970.-Т.58.-Ж 12.-c.72 80.

2. Гуляев Ю.В., Плесский В.П. Распространение поверхностных акустических волн в периодических структурах // Успехи физических наук — Январь 1989.-Т. 157-Вып. 1.-е. 85- 120.

3. Гранкин Т.Н., Запунный A.M., Кулаева Ч.Г. Оптические системы измерения параметров устройств на поверхностных акустических волнах // Зарубежная радиоэлектроника.-1984.-№.11.-C.38 49.

4. Whitman R.L., Korpel A. Probing of acoustic surface perturbations by coherent light // Appl. Opt.-Aug., 1969—V.8.-№. 8.-p. 1567-1576.

5. Adler R., Korpel A. Acoustic surface displacements on a wedge shaped transducer using an optical probe technique.-IEEE Transactions on Sonics and Ultra-sonics-1968—V.SU-15.-№. 3.-p.l86-189.

6. Byszewski A., DrzewieckaM.A., Szustakowski M. // Appl.Opt —1979-V.10.-№.1.

7. Stegeman G.I. Optical probing of surface acoustical waves // IEEE Trans, on Sonics and Ultrasonics.-1976.-V.SU-23.-№. 1.- p.33.

8. Auth D.C., Mayer W.G. Scattering of light reflected from acoustic surface waves in isotropic solids // J. Appl. Phys.-1967.-V.38.-№ 13.-p.138.

9. Cambon G., Rouseryre M., Simon G. Optical probing of surface Raleigh waves//Appl. Phys. Lett.-1971.-V.18.-№. 7.-p.265.

10. Azan P., Mouly J.M., SalsetJ. Electron.-Lett.-1979.-V.22.-№.10.

11. Engan H. Phase sensitive laser probe for high-frequency surface acoustic wave measurements // IEEE Trans, on Sonics and Ultrasonics.-Nov.1978.—V.SU-25.-№. 6.-p.373-377.

12. Щ) 12. Engan H. A phase sensitive probe for pulsed SAW measurements // IEEE

13. Trans, on Sonics and Ultrasonics. -Sept.1982. -V.SU-29.-№. 5.-p.281-283.

14. Дерюгин J1.H., Комоцкий В.А. Явления при дифракции оптической волны с пространственной модуляцией на периодической амплитудной решетке // Опт. и спектр.-1979.-Т.46.-вып. 1 .-с.146-156.

15. Бессонов А.Ф., Дерюгин Л.Н., Комоцкий В.А. Явления при дифракции оптической волны на движущейся пространственной фазовой модуляции на фазовых стационарных решетках // Опт. и спектр.-1980.-Т.49.-вып. 1.- с. 151-157.

16. Бессонов А.Ф., Дерюгин Л.Н., Комоцкий В.А. Оптическое зондирование поверхностных акустических волн в присутствии стационарной периодической решетки//Опт. и спектр-1980 -Т.49.-вып.2.-с.382-386.

17. Бессонов А.Ф., Дерюгин Л.Н., Комоцкий В.А. Измерение фазовых распределений поверхностных акустических волн методом оптического зондирования с опорной решеткой // Автометрия.-1982.-№. 5.-С.92-95.

18. Komotskii V.A., Black T.D. Analysis and application of stationary reference grating method for optical detection of surface acoustic waves // J. Appl. Phys.-Jan., 1981.-V.52.-№.l.-p.l29-136.

19. Black T.D., Komotskii V.A., Larson D.A. Enhanced optical probing of surface acoustic waves using proximity gratings // IEEE ultrasonics sympo sium proceedings.-1984.-p.274-278.

20. Бессонов А.Ф., Дерюпш Л.Н., Комоцкий В.А., Котюков М.В. Измерение линейных и угловых перемещений на основе использования схемы оптического зондирования ПАВ с опорной дифракционной решеткой // Автометрия—1985.-№ 2.-С.57-61.

21. Олинер А. Поверхностные акустические волны // Пер. с англ. под ред. Реза И.С.- М.-Мир.-1981.

22. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн ^ рэлея и лемба в технике // Мир.-М: Наука-1966-с.51-55.

23. Викторов И.А. О влиянии несовершенств поверхности на распространение рэлеевских волн //Докл. АН СССР.-1958.-Т.199.-№3.-с.463-465.

24. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах.-М.-Наука-1981.

25. De Bremaecker J.C1. Transmission and reflection of Rayleigh waves at corners // Geophysics.-1958.-V.XXIII.-№.2.-p.253-266.

26. Ахенбар Дж. Теоретическая и прикладная механика // Под ред. В.Т. Койтера.-М—Мир.-1979.-С.214-250.

27. Burov J.I., Thanh N.C., Anastasova N.V. Reflection, transmission and conversion of acoustic surface waves incident normally on to a quartz wedge with plane y,x—cut // Appl. Phys.-l 979.-V.20.-jVi!.2.-p. 189-191.

28. Анисимкин В.И., Гуляев Ю.В., Котелянский И.М. // Письма в ЖТФ.-1983.-Т.9.-№.17.

29. Pajewski W., Szalewski М. Transmission and reflection of surface acoustic W' wave at a corner of two planes on anisotropic body // Arch. Acoust—1983.1. V.8.- №.1-p.3-10.

30. Goruk W.S., Stegeman G.I. Surface to bulk mode conversion a interfaces on y-z LiNbCb // Appl. Phys. Lett.-V.32.-№.5.-March, 1978.-p.265-266.

31. Поляков В.В., Тараканов В.Ф. Уменьшение уровня отраженной волны в фильтрах на поверхностных акустических волнах // В кн.: Пьезо- и аку-столектронные устройства.-Омск: Омск.-политехи. ин-т.-1981.-с.22-25.

32. Knopoff L., Gangi А.P. Transmission and reflection of Rayleigh waves by wedges //Geophysics.-Dec.,1960.-V.XXV.-№.6.-p. 1203-1214.

33. Pilant W.L., Knopoff L., Schwab P. Transmission and reflection of surface ^ waves at a corner // J. Geophysical Research.-Jan., 1964 -V.69.-№.2.-p.291-297.

34. Stageman G.I., Goruk W.S. Surface-wave reflection phenomena at interfaces on y-z LiNb03//J. Appl. Phys.-Nov.,1979.-V.50.-№.11 .-p.6719-6732.

35. Hudson J.A., Knopoff L. Transmission and reflection of surface waves at a corner// J. Geophysical Research.-Jan. 1964.-V.69.-jNo.2.-p.280-297-289.

36. Nguen Т., Anastasova N.V., Burov J.I. Interference acoustical method fortmeasuring velocity, attenuation and reflection of acoustic surface waves // Appl. Phys.-1978.-V.17.-p.331-334.

37. Mai A.K., Knopoff L. Transmission of Raleigh waves at a corner // Bull. Seismol. Soc. America-April., 1966.-V.56.-№.2.-p.455-466.

38. Viswanathan K.J., Kuo J.I., Lapwood E.R. // Geophysics J. Roy. Astron. Soc.-l 971 .-V.24.-p.401-404.

39. Munasinghe M., Farnell G.W. Finite difference analysis of Rayleigh waves scattering at vertical discontinuities // J. of Geophysics Research. May,—1973.-V.78 — №.14.-p 2454-2466.

40. Крылов В.В., Можаев В.Г. Отражение и прохождение волн Рэлея в клине// Акустический журнал.-1985.-Т.ХХХ1.-Вып.6.-751-755.

41. Cuozzo F. С. et al. Influence of elastic properties on Rayleigh wave scattering by normal discontinuities // IEEE Trans, on Sonics and Ultrasonics-July, 1977.-V.SU-24.-№.4.-p.280-289.

42. Викторов И. A. I (рохождение и отражение рэлеевских волн на закруглениях различного радиуса // Акуст. ж.-Т.7.-вып. 1 -I960.—с.90-91.

43. Cho F.Y., Hunsinger B.J., Lawson R.L. Surface waves circulating on piezoelectric substrates//Appl. Phys. Lett-April, 1971.-V.18.-№.7.-p.298-301.

44. Уильямсон P. В книге фильтры на ПАВ расчет, технология и применения // Под редакцией Меттыоза Г.-Москва «Радио п Связь».-1981-с.340-398.

45. Абейнаяке Х.Т., Комоцкий В.А. Измерение частотных характеристик отражений ПАВ от периодических структуры. // Автометрия.—1990.-№.3.-е.97-99.

46. Абейнаяке Х.Т., Комоцкий В.А. Измерение отражений поверхностных акустических волн с использованием метода оптического зондирования с опорной дифракционной решеткой. // Автометрия.-1987.-№.6.-е.52-55.

47. Абейнаяке Х.Т. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук // Москва-1989.

48. Комоцкий В.А. Характеристики и возможности метода оптического зондирования (ОЗ) поверхностных акустических волн (ПАВ) с использованием опорных дифракционных решеток (ОДР) // Вестник РУДН.-Т. 1 .-1993.-. 122-150.

49. Мэттьюз Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах.-М.-Радио и Связь-1981.

50. Технология тонких пленок, спровочник, под ред. Майссела Р., Глэ-нга. М. // Советское радио.-1947.—Т. 1.-Гл. 1.-е. 140-159.

51. Берндт К.Г. В сб. под ред. Г. Хасса и Р.Э. Туна. Физика тонких пленок (современное состояние исследований и технические применение) // М.-Мир.-1968- Т.З-с.7-57.

52. Беннет Х.Е., Беннет Дж. М. В сб. Физика тонких пленок под ред. Хасса Г. и Туна Р.Э. // Мир.-1970.-Т.1У.-с.7.-122.

53. Кащенко Н.М., Комоцкий В.А. Определение глубины опорных дифракционных решеток на основе измерения и анализа дифракционных порядков // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия физика—1999.-№.7.-Вып. 1.-е. 55-65.

54. Комоцкий В.А. Способ измерения толщины металлической пленки. Патент на изобретение Р.Ф.-№.222 12 89—зарегистр.-20 Января 2004 г.

55. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах.-М.-Радио и Связь-1990.-c.42.

56. Расчет и конструирование АПВ-фильтров, под ред. И.Б. Яковкина // Наука.-Новосибирск.-1982.

57. Кащенко Н.М. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук // Москва.-2000.

58. Комоцкий В.А. Применение методов пространственно-частотного анализа для решения некоторых'задач когерентной оптики.-М.-РУДН.-1994.

59. Смирнов В.И. Курс высшей математики.-Т.Ш.-М.-Наука.—1974.

60. Анго А. Математика для эелектро и радиоинженеров.-М.-Наука.-1967.

61. Комоцкий В.А., Окот С. М. Измерение отражений поверхностных акустических волн (ПАВ) or периодической структуры методом лазерного зондирования // Вестник РУДН.-Серия Физика.-2002.-№10(1).-с.144-147.

62. Комоцкий В.А., Окот С.М. Характеристики отражения ПАВ от края подложки, измеренные методом лазерного зондирования с опорной дифракционной решеткой // Вестник РУДН.-Серия Физика.-2004.-№11(1).

63. Komotskii V.A., Kuznetsov M.V., Okoth S.M. Measuring thickness of thin metallic films with the use of laser probing technique // Вестник РУДН.-Серия физика.-2004.-№11(1).

64. Михеев П.М., Крылова С.И., Лукьянченко В.А. LabVIEW™ 7 Express Учебный курс LabVIEW основы 1 // М.-Россия.-Июль, 2003.