автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование молекулярных дефектов в поверхностном слое кристаллов методом НПВО

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФН^РАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ).

УДК: 4535.8+539.21 На правах рукописи

2 Н УАР 1397

ЖУКОВА Екатерина Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ДЕФЕКТОВ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ КРИСТАЛЛОВ МЕТОДОЧ НПВО

Специальность - uo.il.07 - Оптические и-оптико-электронные

приборы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

1997 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном институте точной механики к оптики (Техническом университете)

Научный руководитель доктор физико-математических наук,профессор Золотарев Б.М.

О^ициальнш оппоненты доктор технических наук, профессор Зверев В.А., доктор физико-математических наук,профессор Ермолаев В.Л.

Ведущее предприятие Научно-исследовательский институт оптического приборостроения

Защита диссертации состоится Шу1997 г.

вУ^" часов ЗО минут на заседании диссертационного совета Д 053.26.01 Санкт-Петербургского Государственного института точной -механики и оптики (Технического университета) по адресу: Санкт-Петербург, Саблинская ул., дом 14. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " ^" 1997 г.

Ученьл": секретарь специализированного совета Л С53.26.01,

каддидат гчхн!г;?-сик кеук, доцент Храсезкев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Щелочно-галоидные и щелочно-земельные кристаллы (ЩГК.ЩЗЮ, имеют, з коротковолновую границу прозрачности в области длин волн короче 18Б нм, являются оптическими материалами для ВУФ области спектра. При облучении ШГК и ЩЗК спектральный диапазон ВУФ излучения может совпасть с областью собственного поглощения кристаллов. Так как фундаментальные электронные переходы характеризуются большим значением коэффициента поглощения (й > 105 см-1), то фотофизические явления, связанные с поглощением высокоэнергетических квантов, локализованы в приповерхностной области кристалла, глубина которой составляет менее 1 мкм. Нарушения в поверхностном слое (ПС) кристаллической решетки, возникающие после механической обработки, создают уело-' вия для интенсивного взаимодействия поглощенных квантов света с дефектами ПС. При этом молекулярные дефекты играют роль ловушек. электронных возбуждений, возникших в результате фундаментального поглощения, что приводит к образованию в ПС центров окраски (ЦО). Избирательное поглощение ЦО в области прозрачности ЩГК и ЩЗК изменяет спектральные характеристики поверхностного слоя кристалла и приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик оптических элементов.

Необходимо отметить, что измерения поглощения ЦО в ПС кристалла затруднены из-за недостаточной чувствительности традиционных оптических методов, а тагане технологических ограничений, связанных с подготовкой тонких образцов и влиянием способа изготовления на структуру кристалла в ПС,- Высокая чувствительность метода нарушенного полного внутреннего отражения ("ПВО) обеспечивает проведение спектрально-кинетических измерений динамики формирования ЦО в тонком ПС кристаллов в момент ВУФ. облучения. При этом возможно получение инфорьдуод о влиянии различных факторов (интенсивности, спектрального, состава и режима ЁУФ облучения;- загрязненности и дефектности ПС кристалла; температуры материала и степени его очистки от чужеродных примесей;- условий эксплуатации и хранения) на кинетику развития фотофизических процессов в ПС ШГК и ШЗК, которые необходимо учитывать при разработке оптико-электронных приборов.

Цель работы состояла в изучении влияния дефектности ПС кристалла на кинетику роста ДО непосредственно в момент БУФ облучения поверхности кристалла.

Научная новкана работы заключается в следующем:

1. Впервые предложзна оптическая модель ПС Ш}"'К у ШЗК, в котором происходит образование НО на молекулярных дефектах под влиянием ВУФ облучения. Модельные представления о ПС лежат в основе экспериментальных исследований кинетики образования анизотропно поглощающих ЦО и позволяют учитывать влияние различных факторов на продолжительность и интенсивность обра^оьания и распада ЦО на дефектах ПС. С учетом последующих расчетов дисперсии оптических постоянных ПС в области поглощения ЦО, оптическая модель позволяет получать информация о характере пространственного распределения молекулярных дефектов в трещиноватом ПС.

2. Впервые в спектроскопии изучгны 5n situ ЦО. образующиеся в дефектном ПС кристалла MgF-г разной степени дефектности.

3. Провелеко исследование методам НПВО влияния дефектности трещиноватого ПС кристалла MgF'z ка: интенсивность кинетического образования F и Ы ЦО, проявляющих анизотропные оптические свойства; пространственное распределение образующихся" ЦО в нарушение:": приповерхностной области; продолжительность формирования ЦО на молекулярных дефектах в ПС и ыом-пп- перехода к образованию ЦО в объеме кристалла; интенсивность накопления ЦО в кристаллическом образце " при длительном ВУФ облучении и на характер релаксационных процессов.

4. fa основе количественного анализа экспериментальных данных, полученных из спектров НПВО, найдены дисперсия оптических постоянных лиг ПС к рассчитана поляризуемость анизотропно поглощающих F и М ЦО в MgFg в области их собственного поглощения. Подучена информация о изменении концентрации ЦО в ПС кристалла M?F£. имеющего различную степень дефектности.

Практическая значимое л» Предваренный спектрально-кинетический метод исследования in situ сптическзи свойств молекулярных дефектов в ПС крпстачла является методом нераэрушающего контроля, основанным на визуализации дефектов в ПС и послед/югдеы контроле величины поглощения, которая пропорциональна концентрации дефектов в трещиноватом слое. Ланнке о поглощении DO, обра-гушкся Hit моаекуларных дефекта ПС Mg-.-s псд влиянием ЕУ-1 облу-

чэнкя, позволяют получить дополнительную информацию о концентрации ЦО и их электро-оптических характеристиках (сила и затухание осцилляторов, дисперсия поляризуемости); характере, изменения диэлектрической проницаемости и проводимости ПС одноосного монокристалла MgF2 с меняющейся в нем концентрацией ЦО. Рассчитанные в работе численные значения оптических постоянных ПС в области селективного поглощения ЦО позволяют проводить прогнозирование изменения спектральных характеристик оптических элементов, работающих в условиях внешнего ВУФ облучения, на основе модельных расчетов оптических свойств ПС.

Защищаемые положения.

1. Измерения коэффициента отр&тения от поверхности исследуемого кристалла, который облучается ЗУФ излучением, в условиях, нарушенного полного внутреннего отражения позволяют изучить спектрально-кинетические параметры центров окраски в момент их образования на дефектах поверхностного слоя кристалла.

2.Сопоставление данных по кинетике образования центров окраски с различной ориентацией дипольных моментов под воздействием ВУФ облучения в дефектном поверхностном слое исследуемого образца с соответствующими данными для эталона может быть положеки в основу метода визуализации и неразрушаощего количественного контроля концентрации дефектов, образующихся в поверхностном слое кристалла посл^ технологической обработки.

3. Предлагаемая оптическая модель поверхностного слоя ЩГК и ЩЗК, в котором происходит образование центров окраски под воздействием ВУФ облучения, позволяет описать пространственное распределение молекулярных дефектов в пределах толщины этого слоя, исследовать механизмы преобразования F и М типов центров, оценить продолжительность накопления центров окраски на молекулярных дефектах поверхностного слоя и момент времени перехода к образованию их на дефектах в регулярной области решетки, определить дисперсию показателя преломления и поглощения в окрестности полос поглощения центров, окраски.

Апробация работа. Материалы диссертационной работы докладывались на симпозиуме "Прикладная оптика-94" (Санкт-Петер-бург,1994 г.), XXI Съезде по спектроскопии (Москва, 1995 г.), международной научно-практической конференции "Оптика, стекло, лазер-95" (Санкт-Петербург, 1995 г.), 28 конференции-ESAS (Грац, Австрия, 1996 г.), симпозиуме "Прикладная оптика-йб" (Санкт-Пе-

тербург, 1996 г.) и ка XXVIII и XXIX научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ИТМЭ(ТУ) (Санкт-Петербург, 1995,1997 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в двух статьях, а также в тезисах докладов пяти конференций.

Объем о структура диссертации. Диссертация содержит 11» страниц машинописного текста, 40 рисунков, 14 таблиц и по своей структуре состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитированной литературы из 172 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во Введени» обоснован выбор темы диссертации, ее актуальность и практическая значимость, сформулирована цель работы, коротко охарактеризовано содержание по главам, представлены защищаемые положения.

Глава I содержит обзор литературных дачных по оптическим свойствам ЦО.

Многообразие структурных нарушений (вакансии, интерстициа-.ли, атомы и ионы примеси, свободные электроны, дырки и зкеитоны) создают предпосылки для возникновения в кристалле ЦО разной сложности. Известно более 33 видов поглощзющкх центров в ЦГК и ШЗК, их'подразделяют на электронные, дырочные и ЦО примесного типа. Анализ экспериментальных дачных с целью получения информации об оптических свойствах ЦО любой сложности можно эффективно проводить при помощи их молекулярных моделей. В квантовой теории спектральные свойства сложных ассоциаций Г ДО (Гг. Гз. ^4 ЦО) ~ спектр энергий локализованных в вакансиях электровоз, интенсив-кость электронных переходов, ызстополодзние резонансов поглощения и излучений - описываются ка моделях молекул типа Не, Нз, Н*. Аналогией между свойствами ЦО и кваьимолекул обьяс-: няется появление термина "молекулярные дефекты" кристалла. Расположение полос поглощения ЦО в видимой и УФ диапазонах прозрачности кристалла свидетельствует о возникновении у дефектов электронной поляризации под действием электромагнитного излучения. Набдэдаемая в экспериментах анизотропия оптических свойств £0 обусловлена г.рсстраысчБенной ориентацией дипольнсго момента

дефекта в элементарной ячейке решетки кристалла и зависит от его сингонии. Обращено внимание на существование трудностей в коли-' чественной обработке спектров поглощения ЦО с целью определения электро-оптических свойств центров в широком спектральном диапазоне, обусловленных как неклассической формой контура полос поглощения при расчетах л ижП численными методами, так и отсутствием априорной информации, которая необходима при применении метода Крамерса-Кронига. Используя представления классической теории о поглощающих свойствах молекул на моделях осцилляторов и извлекая кз спектров информацию об их количественных характеристиках (концентрация, сила и затухание осциллятора), показано, что дисперсия л и эе ПС в окрестности ЦО может быть рассчитана' методом классического дисперсионного анализа с последующей корректировкой хода дисперсии, учитывающий истинный контур, полос поглощения.

В Главе II обсуждается возможность разработки метода визуализации молекулярных дефектов в нарушенном ПС ЩГК и ЩЗК, который позволяет контролировать качество поверхности кристаллов. - ■

Показано, что интенсивность образования ЦО в ПС кристалла зависит от ряда факторов: характера и глубины нарушений кристаллической решетки в . приповерхностной области, спектральных и энергетических характеристик источника внешнего облучения, оптических свойств кристаллов в области их фундаментального поглощения. Механическая обработка поверхности кристатлов абразивами (шлифование, полирование), сопровождается изменением характера нарушений и глубиной их образования в ПС ЩГК и ЩЗК. Структуре поверхности кристалла можно сопоставить конкретные модели строения нарушенного ПС и пространственного распределения в нем молекулярных дефектов. Спектральный интервал источник? внешнего облучения и положение коротковолновой границу прозрачности кристалла определяет протяженность области,в которой происходит поглощение энергии. Оптические свойства л и ае кристалла в этой области и энергетические характеристики источника определяют механизмы преобразования поглощенной энергии с последующим образованием ЦО. Дефектность ПС кристалла и продолжительность облучения влияют на интенсивность образования ЦО и многообразие возникающих центров.

Облучение нарушенного ПС ЩГК и ЩЗК ВУФ квантами с энерги-

ей, немного превышающей ширину запрещенной зоны, приводит к образованию в кристалле свободных электронно-дырочных пар и зкси-тонов, которые легко захватывается анионными вакансиями, выполняющих . роль ловушек. ВУФ облучение позволяет визуализировать дефекты в ПС кристаллов, а исследование интенсивности поглощения F ЦО спектральным методом НПВО обеспечивает получение информации о насыщенности БС дефектами и глубине их образования. Газоразрядная водородная лампа ВМФ-25 была использована для создания макета (рис.1), который позволил провести экспериментальные исследования и разработать основные элементы предлагаемого метода неразрушающего контроля качества поверхности кристаллов. Окно ВУФ источника выполнено в виде элемента НПВО. В нарушенном ПС рабочей граи, обращенной к области разряда водорода, происходит образование ЦО. ' Характер и глубина дефектов в 1IC кристалла формировались при помощи разных способов технологической обработки рабочей грани элемента НПВО.

Глава III" посвящена выбору объекта исследования - кристаллическому материалу, способному к радиационному окрашиванию под воздействием ВУФ облучения. Из этого материала были изготовлены испытуемые элементы НПВО.,

Рассмотрены прозрачные в ВУФ диапазоне кристаллы: LiF, M2F2, CaF2, SrF2, BaF2, «-AI2O3, SiOs. Самая коротковолновая граница пропускания Ак.гр. У LiF (103 нм), а наименьшая у S102 (158 им). Положение X к.гр. наиболее температурозависимо у BaF^ (0,03? нм/°К) и менее чувствительно у S1O2 (0,016 нм/°К). Область избирательного поглощения ЦО сдвигается от видимой области спектра в сторону УФ области при смещении положения первого максимума экситонного поглощения в коротковолновый диапазон ВУФ.

0-AI2O3. SiÜ2 - одноосные кристаллы, наименьшая преломляющая способность у UgFiino - 1,36), а наибольшая у а-AI2O3 (по ,75). Среди физико-химических свойств кристаллов следует отметить погашенную гигроскопичность LiF и на обратимость сорбцион-ных процессов переноса ьлаги при высокой температуре» сопровож-джгугся восстановлением прозрачности у MgFs, CaFj>. Хрупкость кризтоллегз Сьг'о, ßaFg требует осторожности при обработке материала vi его эксплуатации. а технология отделки «-AI2O3 и S1O2, об-ла^аэдк больсей твердостью,лзляется трудоемкой. Наибольшая ра-стойкость к дейстги» »кггкозаергзтическэг? излучения

\1 ^

ч^З

дефектный ПС кристалла Мг?2, содержащий ЦО

КСВУ-23

Рис.1. Экспериментальная схема, изучения кинетики'накопления ЦО в ПС 1^2 под воздействием ВУФ. 1 - Элемент НГОО-окно ВУО источник ВМФ-25, 2 - источник зондирующего излучения, 3 - призма Глана, 4 - корпус ВУФ источника, Б - анод, б - подогреваемый катод, 7 - разрядный канал, 8 - экранирующий цилиндр, 9 - экран, 10 - область склейки.

отмечены у кристаллов CC-AI2O3, SIO2, BaFg. Максимально чувствительны к действию ВУФ квантов кристаллы L1F, М^Рг- Большую устойчивость к облучению при нагревании до температур 100 °С сохраняет MgF2. На основе сравнительного- анализа различных свойств кристаллических сред кристалл Ц&г был выбран в качестве объекта исследований и из этого материала были изготовлены элементы НПВО. В работе приведены подробные сведения об оптических свойствах и спектральных характеристиках F и М ЦО, проявляющих благодаря тетрагональному строению кристаллической решетки MgF2 анизотропные поглощающие свойства. В обзоре ранее проведенных экспериментальных исследований, касающихся образования ЦО в MgF2 под воздействием ВУФ, систематизированы сведения об особенностях влияния различных факторов (продолжительность, интенсивность, спектральный состав ВУФ облучения; роли температуры .кристалла и их различных комбинаций) на ухудшение прозрачности материала.

В Главе 17 представлено обоснование выбора метода исследования ЦО в ПС MgFg. Охарактеризована экспериментальная схема установки и специально разработанная методика регистрации, спектров НПВО ЦО.

Показано, что спектральный метод изучения in situ образования ЦО в ПС MgF2 должен был отвечать следующим требованиям: обеспечивать кинетическую регистрацию спектров НПВО в- поляризованном свете для одновременного исследования поглощения нескольких видов анизотропно поглощающих ЦО в момент ВУФ облучения кристалла, а также в условиях нагрева кристалла до температуры 30-100 °С. Количественная обработка спектров поглощения ЦО должна гарантировать получение достоверных'значений п и ж ПС с ЦО в условиях, когда при изменении интенсивности поглощения центров отсутствует контроль за глубиной их образования в ПС М^г. Традиционный метод пропускания не позволяет провести кинетическую регистрацию спектров ЦО, образующихся на дефектах ПС MgFz на начальной стадии ВУФ облучения, из-за недостаточной чувствительности и необходимости отделения объекта исследования - окна ст стеклянного корпуса БУ5 источника. Реализация метода внешнего отроен;« также затруднена из-за слоыюстк ььода и вывода зонди-ру»:цгто излучения через Соковые стенки корпуса источкхка. В качестве метода исо:едс>ьан;:я ЦЭ ъ ПО M^F;? бил r-кбран метел 'НШЭ. ¡^j: t-iaicuee псоно отьечалшй предьяьллемгм требованиям. Зкспе-

риментальное кручение кинетики накопления ДО проводилось с использованием аппаратуры, входящий в состав спектрально-вычислительного комплекса КСВУ-23 (ЛОМО). Исследование интенсивно развивающихся под действием ВУФ излучения фотофизических процессов образования ЦО в ПС, сопровождающихся непрерывным ростом концентрации в единичном объеме и быстрым изменением спектральных характеристи?. отражения в области полос поглощения ЦО, стало вом.и:кяым благодаря применению специально разработанной методики регистрации ЦО методом ИПВО в поляризованном свете через короткие промежутки времени С1]. Получение, хранение и обработка информации о быстро протекающих процессах в ПС Щ?г обеспечивалась вычислительными процессором спектрофотометрического комплекса1.. Сделан з'ыеод, что метрология эксперимента и его организация подготовили необходимые условия для регистрации спектров ИПВО ЦО, обеспечив достоверность, воспроизводимость и сравнимость результатов.

В Главо V представлены результаты экспериментальных исследований влияния степени дефектности и глубины нарушенного ПС кристалла MgFo на кинетику накопления в нем ЦО под влиянием ВУФ облучения [2].

Для исследований из кристалла VgF2 было изготовлено три элемента H1IB0, грачи которых обрабатывались разными способами полирования - "грубого" (N 1), обычного (N 2) и глубокого (N 3), отличающихся между собой увеличением числа переходов в смене полирующих паст в сторону более плавного уменьшения размеров алмазного абразива, а также уменьшением скорости и увеличением продолжительности полирования.'1 Поверхности рабочих граней элементов HUBO различались разветвденностыо и протяженностью трещиноватого слоя, который при глубоком полировании почти полностью удалялся. Дефектная поверхность MgFg,подвергавшаяся ВУФ излучению газового разряда Еодорс;а, полностью поглощала излучение в диапазоне 86 -ИЗ нм (фундаментальное поглощение), при этом средняя облученность в этой области равнялась 0,052 !дЗ?/см2 для

1 В технологии обработки нет способа грубого колкролания, зге? термин был ЕЕеден для обозначения вида обрабсткл ПС кристалла с максимальней степенью дефектности, поэтому и его название берегся ¿ кагычках.

условий, когда потребляемая мощность ВУФ источника составляла 25 Вт. Спектральная плотность поглощенной энергии кристаллом в пределах дефектного ПС толщиной, равной глубине проникновения ВУФ квантов (300 А), не преьышала 50 мкВт/см2-нм.

На рис.2 представлена кинетика накопления ДО в ПС MgF^ образцов N 2 и N 3 на начальной стадии ВУФ облучения. В нарушенном слое образуются два типа F ДО, отличающихся ориентацией диполь-кого момента д относительно оптической оси кристалла (о.о.к.), которая совпадала с направлением вывода ВУФ излучения из источника и была перпендикулярна к плоскости рабочей грачи элемента НПВО, обращенной к области разряда. Сравнение спектров НПВО ДО и относительного изменения оптических плотностей Op/Ds ДО в максимумах поглощения двух типов F ДО с ¡1 j_' (255 нм) и ?Г 11 (267 нм) относительно о.о.к. указывает на неодинаковую кинетику их накопления иод воздействием ВУФ облучения в условиях разной дефектности ПС.

В первые минуты ВУФ облучения фотофизиче^кие процессы образования F ДО развиваются в тонком ПС (с/ < 300 А). Наблюдающееся интенсивное накопление F ДО с ¡Г J_ о.о.к. связано с максимальной насыщенностью ПС анионными вакансиями, принадлежащими кристаллографической плоскости, совпалавпей с поверхностью, подвергавшейся технологической обработке; выщелачиванием тонкого ПС и отсутствием в ПС пространственной структуры в расположении ионов, необходимой для возникновения F ЦО с ]Г || о.о.к.; влиянием ПС границу двух сред (кристалл - газовая среда) на нормальную составляющую скорости движения свободных оптических электронов в условиях диффузного рассеяния их на сколах и трещинах, что приводило к меньшей подвижности электроне'з в направлении перпендикулярном к поверхности. Концентрация F ЦО с '¡Г_)_ о.о.к. зависит от насыщенности ПС анионными вакансиями, которых как видно из спектров НПВО, в образце N 2 больше. Увеличение продолжительности ВУФ облучения ПС- способствует росту F ЦО'в более глубоких слоях (d > 300 А). Концентрация F ЦО с )Г_]_о.о.к. в более дефектном ПС образца N 2 максимальна, но в ПС. образца N 3, подвергшемуся глубокому полирование, наблюдается опережающий рост F ЦО с д || о.о.к., что связано с влиянием глубины трещиноватого слоя на кинетику роста числа ЦО. Небольшая глубина трещиноватого слоя " (N 3) уменьшает протяженность переходного слоя, в котором

Я» нм

Рис.2. Спектры НПВО Г ЦО, сбрагующися под воздействием ВУФ облучения в ПС кристалла МгГг образцов, полученных способом обычного полирования (К 2) - (а) л глубокого псдкроьания (Н 3} -(б). Бремя ВУФ облучения составило; £1 - 5 инну:. 15 у.и-

нут, ¿з - 25 минут. Спектры НПВО йбаереки а дерп&хглсулзраэ (сплошная линия) и параллельно •'¿трахнукктлр.чь; г.уу.уз-; псл^риго-ешшоы сЕете.

происходит переход ет изотропии в подеижностк свободных оптических электронов ( 300 А < d < dHap.nc) к области с регулярным строением кристаллической реиетке, в которой наблюдается преобладание скорости диффузьл электронов параллельно о.о. к. Момент выравнивания Dp и fls (N 3 - 7 минута, N2-23 минута) - это гремя окончания формирования F ЦО в пределах нарушенного ПС и качала роста ЦО в объеме.

Продолжительное ВУФ облучение сопровождается ростом F ЦО с 1Г|| о.о.к. ка вакансиях, расположенных в более глубоких от поверхности слоях кристалла. При одинаковой длительности непрерывного облучения (t « 15 часов) в ПС образца N 3 с менее глубокой и развитой трещиноватой структурой наблюдается более продолжительный рост F ЦО в объеме кристалла, что привело к максимальному ухудшению прозрачности кристалла. В образце N 3 ассоциация F г. М ЦО отмечена на более ранних стадиях облучения, но концентрация сложных ЦО была максимальна в образце Nie более дефектным ПС.Изучение кинетики релаксации коротко- и долгоживущкх F и М ЦО, образовавшихся в кристалле после его длительного ВУФ облучения, также подтвердило роль дефектности ПС MgFa в развитии фотофизических процессов образования и распада ЦО в кристалле.

- В Главе VI представлена методика численной обработки спектров НПВО ЦО, позволившая получить информацию о концентрации и пространственном распределении молекулярных дефектов в ПС кристаллических образцов MgF2, подвергавшихся разным способам полирования.

Получение сведений о состоянии дефектности ПС кристалла, в котором методом НПВО исследовалась кинетика накопления ЦО на анионных вакансиях под воздействием ВУФ облучения, стало возможным благодаря предложенной оптической модели ПС кристалла, в котором происходят .фотофизические процессы образования поглощающих центров. Модель применима для экспериментального изучения сравнительной динамики изменения концентрационного профиля ЦО в дефектном ПС группы оптических сред - ЩГК и ЩЗК. Изучение поверхностных оптических свойств кр/сталла методом НПВО обеспечивает формирование в пределах дефектного слоя всех трех составляющих амплитуды вектора напряженности электрического поля зондирующего излучения, что позволяет исследовать анизотропно поглощающие ЦО с различной ориентацией дипольных моментов в объеме кристалли-

ческсй ячейки. Аналитическое описание анизотропного поглощения ДО, пространственно распределенных в дефектном ПО крлсталла, сформулировано при помощи принятой в спектроскопии НПВ'О модели тонкой поглощающей пленки, чьи оптические свойства адекватно описываются тензором второго ранга. Предложена методика количественной обработки спектров НИЗО, обеспечившая решение задачи отыскания оптических постоянных л и ае IIC W&Yz- Комбинирование численного метода и классического дисперсионного анализа и позволило получить численные значения изменения оптических постоянных ПС в области аномальной дисперсии с учетом Гауссовой формы1 кривей контура поглощения ЦО. Преломляющие и поглощающие свойс-" тва ПС MgF2 в максимумах полос поглощения центров характеризуются величинами: для F ЦО: (¡T_L о. о. к.) - fix = пу «= 1,4140 -1-0,2003, nz = 1,3047 - 1-0,1157; (|Г 11 o.o.K.) - «= Пу -1,5000 - 1-0,1459, п2 - 1,4200 - 1-0,2002; для И ЦО ( fj. и || о.о.к. - Пх= Пу « 1,4010 -1-0,1005, п2 - 1.4035 - 1-0,1004. Концентрация центров окраски не превышала 5 Z от максимально воз-. моашого числа анионов в единичном объеме кристалла. Приведены дачные об изменении концентрации F ЦО с различной ориентацией дипольных моментов и глубины их образования в ПС при БУФ облучении. Сделаны еыводы, что глубина трещиноватого слоя в ПС MgF2 после обычного полирования составила величину 800 А, насыщение ЦО которого происходило за 23 минуты и концентрация F ЦО составила: для |Г± о.о.к, - 1,3-Ю21 см-3, и | | о.о.к. - 0,9-Ю21 сьГ3,глубокое полирование' уменьшает трещиноватый слой до 550 А и в нем происходит насыщение ЦО за 7 минут, концентрация которых равна соответственно 0,9-Ю21 см"3 и 0,8-1021 см-3. При "грубом" полировании трещиноватый слой оценен протяженностью в 1500 А. Испсльзуя экспериментальные данные, был произведен расчет электро- оптических свойств F и М ЦО - поляризуемости, эффективной силы и затухания осцилляторов,дчпольных моментов, а также диэлектрические свойства ПС MgFg, содержащего ЦО, - диэлектрической проницаемости и проводимости.

. В Заключении сфсрмулированы основные результаты и выводы ■ диссертационной работы:

1. Предложен метод оптической визуали&ации дефектов в нарушенном ПС ЦГК и ЩЗК, основанный на облучении . кристаллов ВУЗ квантам« БУФ сгета и одновременной регистрации методов ИГЕ0 nor-

- 16 -

лощения ДО; образующихся на анионных вакансиях ПС.

2. Предложена оптическая модель дефектного ПС ¡1<ГК и Î1Ï3K, в котором происходит образование ДО на анионных вакансиях в момент облучения кристалла БУФ излучением, позволившая экспериментально изучить влияние степени дефектности и глубины трещиноватого ПС MgF2 на кинетику развития фотофизических процессов, сопровождающихся ростом анизотропно поглощающих F и Ы ЦО.

. 2. Разработана и реализована высокочувствительная методика регистрации in situ контрастных спектров НПВО ЦО с различной ориентацией дипольных моментов на быстропротекающей начальной стадии их кинетического образования в момент ВУФ облучения поверхности, основанная на непрерывном измерении спектров поглощения ЦО с переменным чередованием состояния поляризации зондирующего излучения в период сканирования и сохранения постоянства области взаимодействия опорного электромагнитного излучения с ПС кристалла.

4. Проведено исследование влияния степени дефектности и глубины нарушенного ПС, образующегося в результате абразивного диспергирования поверхности в ходе ее технологической обработки, на кинетику роста ЦО в условиях кратковременного и продолжительного ВУ'1) облучения, а также на стадии релаксации ЦО. Устгшовле-но, что разная дефектность ПС создает неодинаковые условия для рассеяния в ПС свободных электронов, влияет на продолжительность и закономерность кинетического образования ЦО с различной ориентацией дипольных моментов.

5. Исследована кинетика накопления F ЦО с различной ориентацией дипольных моментов в дефектном ПС в момент ВУФ облучения. Установлено, что снижение трещиноватости ПС кристалла уменьшает интенсивность накопления F ЦО с диполеним моментом, ориентированным в кристаллографической плоскости, совпадающей с поверхностью технологической обработки. Сокращение протяженности трещин в глубь ПС способствует-раннему наступление стадии опережающего • роста F ЦО с дипольным моментом, параллельным о.о.к, что связано с уменьшением продолжительности времени насыщения ПС ЦО и осуществлением более быстрого перехода от поверхностной подвижности свободных оптических электронов к анизотропии в подвижности их в объеме, когда скорость диффузии электронов вдоль о.o.k. максимальна.

6. Изучено влияние степени дефектности ПС на радиационное

окраккзалие объема кристалла МвР^ при его длительном ВУФ облучении. Отмечено, что уменьшение глубины и дефектности ПО чриводит к быстрому наступлению стадии продолжительного роста ЦО на молекулярных дефектах в объеме кристалла. При этом анизотропия скорости диффузии свободных электронов сордает предпосылки для возникновения различий в глубине образования ЦО с разной ориентацией дипольиых моментоз.

7. Проведены исследования интенсивности развития релаксационных процессов преобразования Г и М ЦО в М^Рг после длителькб^б1 ВУФ облучения ПС. Отмечено, что после прекращения ВУФ облуЧМ'й* наблюдается рост сложных М ЦО, концентрация которых зависит' состояния дефектности ПС. Преобладает накопление М ЦО с дипо"л&-кым моментом, ориентированным в кристаллографической плоскостй, совпадающей с технологической плоскостью элемента НПВО, что влечет ухудшение прозрачности окна ВУФ источника.

8. Предложена методика количественной обработки спектров НПВО, которая позволила рассчитать дисперсию оптических постоянных п и ж Г и М ПС для ЦО с разной ориентацией дипольаых моментов. Получены данные о дисперсии поляризуемости поглощающих центров, определены электро-оптические характеристики ЦО и электрические свойства ПС содержащего ЦО.

д. На основе представлений о кинетике формирования фотофи-зкческда процессов в ПС 1^2 при воздействии ВУФ излучении, развитых е рамках предложенной оптической модели строения ПС, предложена и реализована методика оценки дефектности ПС кристалла, основанная на расчете изменения концентрации поглощающих ЦО и глубине их образования в ПС.

10.Отмечено, что полученные данные об оптических сеойстьзх Г и М ЦО, концентрации и глубине .л образования на разных стадиях ВУФ облучения, могут быть использованы для прогнозирования с помощью компьютерного моделирования изменения спектральных свойств кристаллических оптических элементов, чья поверхность подвергается действию ВУФ излучения.

В Приложении приведена общая функциональная схема экспериментальной устакснк:;. конструкция и технические параметр-." ВУФ источника ¿МФ-25.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Е.В.Жукова, В.М.Эолотарев, Н.Б.Маргарянц, Л.П.Шжиацкая "Спектрально-кинетические исследования центров окраски в поверхностном слое' кристаллов методом НПВО", Оптика и спектроскопия, 1995 Г., Т.81, N 2, стр.263 - 267.

2. Е.В.Жукова, В.М.Золотарев, Л.П.Иишацкзя "Образование центроз окраски при ВУФ облучении в поверхностном слое кристалла", Оптика и спектроскопия, 1S95 г., Т.81, N 5, стр.791 -795.

3. Е.В.Кукова, В.М.Золотарев, Л.П.Шишацкая "Исследование оптических характеристик поверхностного слоя MgFg", Тез.докл. на симпозиуме "Прикладная оптика-94", 1994 г., 15 - 18 ноября, Санкт-Петербург, стр.62 - 63.

4. Е.В.КукоЕа,В.М.Золотарев "Исследование кинетики образования центров окраски в поверхностных слоях ЦЗК под воздействием ВУФ", Тез.докл. на XXI Съезде по спектроскопии, 1995 г., 1-6 октября, Москва, (в печати).

5. Е.В.Жукова, В.М.Золотарев, Н.Б.Маргарянц, Л.П.Еииацкая Применение спектроскопии НПВО для исследования молекулярных дефектов в поверхностном слое кристалла". Тез.дога, на международной научно-практической конференции "Оптика, стекло, лазер -95",

1995 г., 1-3 ноября, Санкт-Петербург, стр.65 - 66.

6. E.V.Zhukova, V.M.Zolotarev, N.B.Margaryants, L.P.Shishatskaya "The spectral-kinetic investigation method of colour centers formation, under VUV irradiation in surface layer and volume of crystals", 28th Europen Group for Atomic Spectroscopy conference, 1996, 16 - 19 July, Graz, Austria, (в печати).

1. E.V.Zhukova, V.M.Zolotarev, N.B.Mar'gf^yants, L.P.Shishatskaya "The peculiarity of the kinetic formation of colour centers under VUV radiation in surface layer of anizotropic cristal", 28th Europen Group for Atomic Spectroscopy Conference, 1996, 16 - 19 July, Graz, Austria, (в печати).

8. Е.В.Жукова, В.M.Золотарев, Н.Б.Маргарянц, Л.П.Шишацкая "Исследование фотообесцвечивания центров окраски в кристалле MgFg методом НПВО", Tes.докл. на симпозиуме "Прикладная оптика - 96",

1996 г., 17-20 сентября, Санкт-Петербург, стр.209.