Многолучевые интерференционные картины
Мы выбрали несколько примеров, чтобы показать, как очень простые физические принципы дают большой вклад во многие научно-исследовательские работы. Ряд ученых разработали методику изучения микроструктуры поверхностей кристаллов, металлов, пластмасс, стекла и т. д. Прежде всего необходимо аккуратно посеребрить как исследуемый объект, так и эталонную поверхность. Толщина покрытия должна быть ~ 1/1000 000 см. Результат исследования методом многолучевой интерферометрии поверхностей, кажущихся на глаз совершенно гладкими и лишенными структуры, часто оказывается совершенно неожиданным. Мы многое узнали о росте кристаллов, влиянии химических воздействий на поверхность, о разрушениях, порождаемых трением, износом и ударами, о характеристиках жесткости поверхностей и т. д.
Совместное использование многолучевой интерферометрии и микроскопа по существу создает трехмерную микроскопию, дающую возможность исследователю изучать объект в трех измерениях.
Направленная твердость алмаза
Алмаз — самый твердый из всех известных людям материалов, и вполне естествен вопрос, как же обра>батывать алмазы. Алмаз не только сверкающий дратоненный камень —это важныйпромышленный материал; Алмазные резцы широко "используются в промышленности, и алмазные инструменты играют все более важную роль в массовом производстве, наираддаиь алмазовсостоит а том, что очень ч&ехо» наг некоторых гранях кристаллов видно множество крохотных треугольных углублений, которые обычно называют тригонами. Их происхождение пока не выяснено, поскольку одна научная школа утверждает, что это явление роста, а другая — что это следствие протравки или растворения. Но какова бы ни была причина, породившая тригоны, их форма и другие особенности интересны сами цо себе и заслуживают изучения. Методом многолучевой интерферометрии мы подвергли исследованию значительное число граней с тригонами. Много полезной информации скрывается в подобных картах микрорельефа. Глубины тритонов можно оценить на глаз, поскольку каждая интерференционная полоса означает изменение глубины на 1/40000 см. Хорошо выявляются формы тригонов: у некоторых основания плоские, у других заостренные. Наклоны сторон, наложение-друг на друга и мно> гие другие подробности можно извлечь из одной такой йнтерферограммы. Интересен уже качественный характер этой картины, не говоря уж о том, что при небольшой затрате усилий все эти сведения можно преобразовать в числовые данные.
Применения в промышленности
Многолучевые йнтерферограммы для освещенности, только что приведенные в качестве иллюстраций, были выбраны нами потому, что исследуемые объекты дали особенно Привлекательные картины интерференции. Но та же мётодика была с успехом использована и для многих более житейских объектов. Особенно наглядно проявилась польза этого метода в тех отраслях промышленности, где требуется так называемая сверхчистая обработка поверхностей. Эта обработка производится или на токарных, станках, при помощи очень острых алмазных резцов, или, на специальных мелкозернистых шлифовальных кругах, или хонингованном и полированием. Во всех случаях изделие имеет обычно или «шелковую*^ или зеркальную поверхность, что очень удобно для проверки, йспьмйкння: и контроля, методоммноголучевой интерферометрии. Например, при проиаводстве Двигателей легковых автомобилей нввёхезвка сверхчистая обработка цилиндров я иврншей, ирияем «точность отделка должна достигать 4/40 ем. Освещенность таких поверхностей является идеальным средством, поскольку расстояние между интерференционными полосами соответствует 1/40000 еле и они настолько узки, что ошибки поверхности -свыше 1/40000 см легко различимы на глаз, Сверх того, этот метод не портит деталь, быстр и надежен.
Другое полезное промышленное применение — контроль за окончанием процесса электролитической полировки поверхностей кристаллов, необходимшх, например, для элементов транзисторов. В этом методе все шероховатости удаляются, с поверхности электролитическим способом. Однако необходим очень тщательный контроль, так как, если процесс тголяровкя длится немного дольше, чем нужно, на гладко отполированной поверхности возникают мелкие ямки. Это явление называется электролитической гравировкой. Обычно для контроля этого процесса с успехом применяются многолучевые йнтерферограммы, позволяю? щие вовремя заметить критическую стадию процесса.
Еще одно полезное применение связано с оценкой площади и степени нерегулярности поверхностей металлов, используемых m промышленных процессах реакций химического катализа. Если металлическая Поверхность применяется как катализатор для ускорен кия нужной химической реакции, то весьма желательнб узнать действительную площадь поверхности металла^ участвующую в реакции. Эта площадь очень сильно зависит от микротопографии поверхности; поэтому использование многолучевой итешрфереметрии нйвер? няка дает самый лучший подход к выяснению различных характеристик поверхности катализатора.
Важной отраслью промышленности является производство жести, широко используемой для изготовления консервных банок, особенно для конеервироваг "ния пищевых продуктов. Если оловянное -покрытие консервной банки в отдельных местах разрушается, то продукты портятся (особенно мясо или кислые фрук1 агы):. При покрытии листового железа оловом иногда возникают дефекты, сводящиеся к тому, что крохотные участки металла не покрываются оловом или же там слой Олова оказывается слишком тонок; такие Дефекты по существу представляют собой очень мелкие ямки на поверхности жести. Интерферограмма идеально выявляет такие ямки в виде четко очерченных интерференционных колец. Этот способ позволяет довольно быстро отобрать подозрительные листы жести и принять необходимые меры.
Особенно широко применяется многолучевая интерферометрия для измерения с высокой точностью толщины тонких слоев. Эта задача часто встречается как в научных исследованиях, так и на производстве. Во многих случаях необходимо точно знать толщину тонкого слоя или пленки. Такие слои требуются для электронной микроскопии. Оптическая промышленность широко использует тонкие слои в производстве фильтров, для «просветления оптики», изготовления отражающих покрытий и т. п. Тонкие слои используются в новейших быстродействующих вычислительных машинах в качестве элементов памяти. Это всего лишь несколько примеров'использования тонких слоев. Практически тонкие слои изготовляются путем осаждения вещества в высоком вакууме: нужное вещество испаряется и оседает на приемную поверхность. Чтобы измерить толщину слоя, рядом с рабочей поверхностью кладут кусок чистого стекла, половина которого прикрыта. На открытую половину осаждается слой вещества, и когда стекло снимают, на нем оказывается ступенька, равная по толщине осажденной пленке. Высота этой ступеньки измеряется стандартным методом многолучевой интерферометрии. Оптическая промышленность уже выпускает многолучевые интерференционные микроскопы, специально предназначенные для измерения толщины тонких слоев. Метод многолучевой интерферометрии стал теперь стандартным методом для оценки толщины тонких слоев или пленок. Он вполне надежен, и им можно пользоваться в широком диапазоне толщин — от многих световых волн до 1/100 длины волны (~ 50А).
Упомянем еще одяо применение многолучевой интерферометрии. Если из кристалла кварца вырезать определенным образом небольшой блок и подвергнуть его действию переменного .электрического поля, то в нем возбудятся механические колебания, частота которых точно соответствует частоте возбуждающего поля. Наоборот, если надлежащим образом вырезанный кристалл включить в колебательный контур, то при соответствующих условиях частота его собственных механических колебаний будет накладываться на колебания в контуре и осуществлять жесткий контроль за частотой колебаний. Кварцевый генератор частоты играет важнейшую роль в радиотехнике, включая радиотелефонию, телевидение, радиолокацию, управление на расстоянии и т. п. Мы поместили рядом с посеребренным осциллирующим кристаллом кварца посеребренную стеклянную пластинку и обнаружили, что колебания кристалла вызывают интерференционную картину, которая дает возможность наблюдать колебания во всех подробностях. Хорошо видно, какие части кристалла смещаются и насколько, а какие остаются в покое. Вся эта тонкая картина поддается числовой обработке, так как амплитуды местных колебаний могут быть определены по распределению интерференционных полос.