Поляризованного излучения

Свободная граница твердого тела. В ультразвуковой дефектоскопии весьма часто приходится встречаться с отражением от поверхностей волны, распространяющейся внутри твердого тела. При отражении продольной и вертикально поляризованной поперечной волн происходит трансформация типов волн.

Рис. 1.21. Изменение амплитуды сигналов, рассеянных на цилиндре диаметром 6 мм в алюминии в зависимости от угла наблюдения 8 при падении на него вертикально поляризованной поперечной волны частотой 2,5 МГц

В § 1.4 рассмотрено точное решение задачи о дифракции на-цилиндре. Из него следует, что для дифракции продольной волны можно пользоваться формулой (2.17) при d/K^O,2. При меньших значениях диаметра Вц в функции от d/K резко уменьшается. Для вертикально поляризованной поперечной волны формулой (2.17) можно пользоваться при d/K^2, а при меньших значениях диаметра следует использовать экспериментальное значение Вц (см. кривую 5 на рис. 1.19).

Коэффициент отражения горизонтально поляризованной поперечной волны независимо от угла падения равен единице, поэтому использова-выявлении дефектов предпочтитель-

Следует отметить, что поверхностная горизонтально поляризованная поперечная волна не является волной Рэлея, поскольку последняя - комбинация вертикально поляризованной поперечной волны и продольной волны, которые в рассматриваемом случае отсутствуют. В [422, с. 3160], как отмечалось ранее, сообщается о разработке ПЭП для излучения и приема наклонных горизонтально поляризованных поперечных волн, в том числе с углом преломления 90°.

Граница твердого тела. Когда распространяющаяся в твердом теле продольная или поперечная вертикально поляризованная волна падает на его поверхность, возникают две отраженные волны: продольная и поперечная. Рассчитанные значения углов и коэффициентов отражения (по амплитуде) для продольной волны в стали и алюминии показаны на рис. 1.19, а для вертикально поляризованной поперечной волны - на рис. 1.20. При падении на поверхность поперечной волны существует третий критический угол. При нем продольная отраженная волна сливается с поверхностью (становится неоднородной) и отражается одна поперечная волна. Для стали этот угол р = ф'=33°, для дуралюмина-29,5°.

При отражении горизонтально поляризованной поперечной волны трансформация не возникает, если отражающая плоскость совпадает с плоскостью поляризации, т.е. горизонтальна. Вели отражающая плоскость не совпадает с плоскостью поляризации горизонтально поляризованной волны или она не перпендикулярна к плоскости поляризации поперечной волны, то в отраженной волне будут как вертикальная, так и горизонтальная составляющие, причем каждая составляющая отражается по присущим ей законам [350]. Подобная ситуация иногда возникает при контроле способом тандем-дуэт (см. разд. 2.2.5.1).

В [422, с. 3160] сообщается о разработке ПЭП для излучения и приема наклонных горизонтально поляризованных поперечных волн. Они имеют частоту 2 ... 5 МГц, размер пластины 10 х 10 мм, угол преломления 90 и 70°. Волны излучаются в призму, а затем проходят в металл ОК через специальную смазку Soni-coat SNH-30. Тип смазки - ключевой вопрос при передаче горизонтально поляризованной поперечной волны из призмы в ОК.

Существенно разный характер кривых для продольных и поперечных (поляризованных перпендикулярно к оси цилиндра) волн на рис. 2.37, а объясняется влиянием волн обегания, особенно большим при падении вертикально поляризованной поперечной волны. В результате суммирования прямо отраженной волны и волны обегания кривая изменения амплитуды испытывает большие осцилляции, которые сглаживаются действием импульсного характера излучения (штриховая кривая). Для продольных и поперечных горизонтально поляризованных волн А соответствует верхняя кривая, так как волны обегания в этом случае практически отсутствуют. По изложенной причине объемные дефекты лучше выявляются

При отражении вертикально поляризованной поперечной волны от двугранного угла (точка D на рис. 2.45, а) пальпирование уменьшает амплитуду эхосигнала (на 0,5 ... 1 дБ), если пальпировать нижнюю поверхность. Пальпирование вертикальной поверхности уменьшает амплитуды эхосигнала при углах падения на эту поверхность больше третьего критического (33° для стали).

В [341] предложено контролировать текстуру алюминиевых листов путем измерения скорости распространения горизонтально поляризованной поперечной

поперечные волны, поляризованные параллельно пластине (рис. 2.21, а). Это обусловливается тем, что в противоположность перпендикулярно поляризованной поперечной волне и продольной волне при падении по касательной здесь не происходит скачка фазы, т. е. при отражении не происходит гашения. Они являются частным случаем волн в пластинах.

Применение в качестве источников света лазеров, работающих в широком диапазоне длин волн и обеспечивающих высокую спектральную плотность, как правило, поляризованного излучения, значительно расширило возможности эллипсометрии и прежде всего улучшило чувствительность и быстроту эллипсометров. Работать с поляризованным светом значительно удобнее, чем с естественным, эксперимент при этом оказывается более совершенным, а математическая обработка результатов проще.

По классификации, предложенной в [39], все используемые в эллипсометрах схемы могут быть разделены на две группы: нулевые и ненулевые. К нулевым относятся такие, в которых азимуты поляризующих элементов измеряются в момент прохождения регистрируемой величины через нуль. В одних случаях это интенсивность света, прошедшего через оптическую систему в положении гашения, в других •— интенсивность сигнала на основной частоте в положении баланса. В ненулевых схемах параметры проекционной картины поляризованного излучения определяются не по азимутам поляризующих элементов, а по величине интенсивности света при нескольких разных их ориентациях либо по изменениям интенсивности и фазы. Наиболее типичные нулевая и ненулевая схемы представлены на рис. 124.

Рожденный в результате спонтанного перехода квант может иметь любое направление поляризации, а квант, появившийся в результате процессов вынужденных переходов, будет иметь ту же поляризацию, что и квант, вызвавший этот процесс. Поэтому для получения линейно поляризованного излучения необходимо вводить в резонатор лазера некоторый селектирующий элемент, позволяющий обеспечить различный уровень внутрирезонатор-ных потерь для электромагнитных колебаний с различными поляризациями. В случае неполяризованных лазерных пучков выделить заданное направление поляризации можно с помощью различных поляризаторов — устройств, обладающих различным пропусканием излучения с различной поляризацией.

Приведенные выше характеристики СВ позволяют описать его преобразующие свойства при зондировании монохроматическим, полихроматическим источником, а также источником поляризованного излучения.

Реально в эксперименте измеряются не амплитуды, а коэффициенты отражения s- и р-поляризованного излучения:

превосходит критического: 0 <[ 0С = -\/~\ —е+. При наличии поглощения коэффициент отражения при нулевом угле скольжения также равен Г, но при увеличении угла сразу начинает убывать (см. рис. 1.1). В частности, для s-поляризованного излучения и малых углов скольжения из формул Френеля (1.4), (1.6) имеем:

Итак, рассмотрим многослойное зеркало, диэлектрическая проницаемость которого меняется по глубине периодическим образом (см. рис. 3.4). Для определения поля MP-волны внутри МИС, коэффициентов отражения и прохождения следует решить волновое уравнение, которое для s-поляризованного излучения имеет вид

При рассмотрении метода медленных амплитуд мы для простоты ограничились случаем s-поляризованного излучения. Расчеты для р-поляризации также приводят к соотношениям (3.28)—¦ (3.29).

Для s-поляризованного излучения пиковый коэффициент отражения R* не зависит от угла падения ф0 [иначе говоря, от периода / структуры, связанного с ф0 брэгговским условием (3.39)], значение R% для р-поляризации связано с ф0 только через параметр а0 и обращается в ноль при ф0 = я/4. В то же время как R%, так и Rg все еще остаются функциями параметра р, т. е. функциями отношения толщин слоев двух материалов, составляющих МИС Типичная зависимость пикового коэффициента отражения от параметра Р приведена на рис. 3.6.

В случае s-поляризованного излучения и в пределе Im е2 ->¦ О (т. е. Р* -»¦ 0) внутри МИС образуется стоячая волна, узлы которой совпадают с тонкими сильнопоглощающими слоями. Поток энергии вглубь структуры при этом отсутствует, и, следовательно, коэффициент отражения равен единице. В действительности конечное поглощение вещества ограничивает глубину проникновения MP-волны величиной Leifx. Я0 cos Ф0/("2Р* Ini \i) > Labs. Если в случае интерференционного отражения глубина проникновения внутри резонанса уменьшается, то в случае эффекта Бормана она, наоборот, увеличивается.

Для р-поляризованного излучения и в пределе Im еа -> 0 поле внутри МИС представимо в виде суперпозиции стоячей и бегущей вглубь зеркала волн: