priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2023-66-6-489-500pribor-154Research ArticleПРИБОРЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙINSTRUMENTS AND METHODS FOR MONITORING THE NATURAL ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIALS AND PRODUCTSЭллипсометрия миллиметрового диапазона в задачах диагностики композиционных материаловMillimeter-range ellipsometry in problems of composite materials diagnosticsФедорининВ. Н.FedorininV. N.

Федоринин Виктор Николаевич — канд. техн. наук; Филиал ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН „КТИПМ“, отдел фотохимических технологий; ведущий инженер.

Новосибирск

Victor N. Fedorinin — PhD; Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the SB RAS, Design and Technology Institute of Applied Microelectronics, Department of Photochemical Technologies; Leading Engineer.

Novosibirsk

fedorinin55@mail.ruКузнецовС. А.KuznetsovS. A.

Кузнецов Сергей Александрович — Филиал ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН „КТИПМ“, отдел фотохимических технологий; научный сотрудник.

Новосибирск

Sergei A. Kuznetsov — Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the SB RAS, Design and Technology Institute of Applied Microelectronics, Department of Photochemical Technologies; Researcher.

Novosibirsk

sakuznetsov@nsu.ruШвецВ. А.ShvetsV. A.

Швец Василий Александрович — д-р физ.-мат. наук; ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН, лаборатория эллипсометрии полупроводниковых материалов и структур; ведущий научный сотрудник.

Новосибирск

Vasily A. Shvets — Dr. Sci.; Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the SB RAS, Laboratory of Ellipsometry of Semiconductor Materials and Structures; Leading Researcher.

Novosibirsk

basil5353@mail.ruАржанниковА. В.ArzhannikovA. V.

Аржанников Андрей Васильевич — д-р физ.-мат. наук, профессор; НГУ, кафедра физики плазмы; главный научный сотрудник.

Новосибирск

Andrey V. Arzhannikov — Dr. Sci. Professor; профессор; Novosibirsk State University, Department of Plasma Physics; Chief Researcher.

Novosibirsk

arzhan1@ngs.ruГельфандА. В.GelfandA. V.

Гельфанд Александр Витальевич — Филиал ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН „КТИПМ“, отдел фотохимических технологий; заведующий отделом.

Новосибирск

Alexander V. Gelfand - Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the SB RAS, Design and Technology Institute of Applied Microelectronics, Department of Photochemical Technologies; Head of the Department.

Novosibirsk

oos@oesd.ruГоршковА. Ю.GorshkovA. Yu.

Горшков Александр Юрьевич — Филиал ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН „КТИПМ “; ведущий инженер-конструктор.

Новосибирск

Alexander Yu. Gorshkov - Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the SB RAS, Design and Technology Institute of Applied Microelectronics; Leading Design Engineer.

Novosibirsk

oos@oesd.ruФилиал Института физики полупроводников СО РАН им. А.В. Ржанова „Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники“Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the SB RAS, Design and Technology Institute of Applied MicroelectronicsФилиал Института физики полупроводников СО РАН им. А.В. Ржанова „Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники“; Новосибирский государственный университетRzhanov Institute of Semiconductor Physics of the SB RAS, Design and Technology Institute of Applied Microelectronics; Novosibirsk State UniversityИнститут физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАНRzhanov Institute of Semiconductor Physics of the SB RASНовосибирский государственный университет; Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАНNovosibirsk State University; Budker Institute of Nuclear Physics of the SB RAS202327112024666489500Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/154

Представлен действующего макета эллипсометра миллиметрового диапазона, оптимизированного на частоту 140 ГГц. При создании эллипсометра миллиметрового диапазона использованы разработанные оригинальные квазиоптические элементы — линейные и круговые поляризаторы, выполненные в виде тонкопленочных метаповерхностей на полимерной основе. Экспериментально исследованы характеристики квазиоптических элементов, методических погрешностей, обусловленных „несовершенством“ элементов. Представлены результаты измерений оптических констант композиционных материалов на основе углеродных волокон. Выполнен эллипсометрический эксперимент по обнаружению внутренних дефектов в композитных изделиях. Результаты исследования позволяют сделать вывод, что эллипсометрия миллиметрового диапазона может успешно применяться в решении задач поверхностной инженерии при изучении микрогетерогенных дисперсионных систем.

Ellipsometry is an effective tool for measuring the optical constants and structural parameters of the surface – the interface between media, studying the physical and chemical processes occurring on the surface. The purpose of the work is to create a working layout of a millimeter-range ellipsometer optimized for a frequency of 140 GHz. In creation of the millimeter-wave ellipsometer, original quasi-optical elements developed earlier are used - linear and circular polarizers, made in the form of thin-film polymer-based metasurfaces. Experimental studies of quasi-optical elements characteristics and methodological errors due to the "imperfection" of the elements are carried out. The results of measurements of the optical constants of composite materials based on carbon fibers in the range of 140 GHz are presented. An ellipsometric experiment is performed to detect internal defects in composite products. The results of the study make it possible to conclude that millimeter-range ellipsometry may be used successfully in solving problems of surface engineering in the study of micro-heterogeneous dispersion systems.

эллипсометрияквазиоптические элементыметаповерхностькомпозиционный материалмикродисперсная средаellipsometryquasi-optical elementsmetasurfacecomposite materialmicrodispersion mediumРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № 075-15-2020-797). Авторы признательны коллективу подразделения сектора композиционных материалов СибНИА им. С.А. Чаплыгина за помощь в изготовлении тестовых образцов из слоистого углепластика и их предоставлении для проведения исследований. Авторы выражают также благодарность Центру коллективного пользования „ВТАН“ НГУ за предоставленное оборудование для измерений в миллиметровом диапазоне спектра.The work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Project No. 075-15-2020-797). The authors are grateful to the Composite Materials Division of the S.A. Chaplygin Siberian Research Institute of Aviation for their help in preparing test specimens from laminated carbon fiber and providing them for research. The authors also express their gratitude to the Center for Collective Use "VTAN" of Novosibirsk State University for providing equipment for measurements in the millimeter range of the spectrum.ReferencesАззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет / Пер. с англ. под ред. чл.-корр. АН СССР А. В. Ржанова и К. К. Свиташева. М.: Мир, 1981. 580 c.Azzam R.M.A., Bashara N.M. Ellipsometry and Polarized Light, North-Holland Publishing Company, 1977, 529 р.Свиташев К. К., Семененко А. И., Семененко Л. И., Соколов В. К. Основы эллипсометрии / Под ред. А. В. Ржанова. Новосибирск: Наука, 1979. 422 с.Svitashev K.K., Semenenko A.I., Semenenko L.I., Sokolov V.K. Osnovy ellipsometrii (Fundamentals of Ellipsometry), Novosibirsk, 1979, 422 р. (in Russ.)Васильев В. В., Протасов В. Д., Болотин В. В. и др. Композиционные материалы. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.Vasil'yev V.V., Protasov V.D., Bolotin V.V. et al. Kompozitsionnyye materialy (Composite Materials), Moscow, 1990, 512 р. (in Russ.)Батаев А. А., Батаев В. А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 384 с.Bataev A.A., Bataev V.A. Kompozitsionnyye materialy: stroyeniye, polucheniye, primeneniye (Composite Materials: Structure, Production, Application), Novosibirsk, 2002, 384 р. (in Russ.)Далин М. А., Генералов А. С., Бойчук А. С., Ложкова Д. С. Основные тенденции развития акустических методов неразрушающего контроля // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 1. С. 64—69.Dalin M.A., Generalov A.S., Boychuk A.S., Lozhkova D.S. Aviation Materials and Technologies, 2013, no. 1, pp. 64–69. (in Russ.)Dalin M. A., Lozhkova D. S. Measurement of the Thickness of U-30MES-5NT and VGM-L Sealing Compound Layers in Aircraft Products Using the Ultrasonic Nondestructive Testing Method // Polymer Science. Series D. Glues and Sealing Materials. 2012. N 5. Р. 305—308.Dalin M.A., Lozhkova D.S. Polymer Science. Series D. Glues and Sealing Materials, 2012, no. 5, рр. 305–308.Hofmann T. C., Herzinger A., Boosalis T., Tiwald J., Woollam A., and Schubert M. Variable-wavelength frequency-domain terahertz ellipsometry // Rev. Sci. Instrum. 2010. Vol. 81, N 2. Р. 023101.Hofmann T.C., Herzinger A., Boosalis T., Tiwald J.A. Rev. Sci. Instrum., 2010, no. 2(81), pp. 023101.Matsumoto N., Hosokura T., Nagashima T., Hangyo M. Measurement of the dielectric constant of thin films by terahertz time-domain spectroscopic ellipsometry // Optics Letters. 2011. Vol. 36, N 2. P. 265—267.Matsumoto N., Hosokura T., Nagashima T., Hangyo M. Optics Letters, 2011, no. 2(36), pp. 265–267.Neshat M., Armitage N. P. Terahertz time-domain spectroscopic ellipsometry: instrumentation and calibration // Optics Express. 2012. Vol. 20, N 27. P. 29063—29075.Neshat M., Armitage N.P. Optics Express, 2012, no. 27(20), pp. 29063–29075.Азаров И. А., Швец В. А., Прокопьев В. Ю. и др. Эллипсометр терагерцового диапазона // Приборы и техника эксперимента. 2015. № 3. C. 71—78.Azarov I.A., Shvets V.A., Prokopiev V.Y., Dulin S.A., Rykhlitskii S.V., Kruchinin V.N., Choporova Y.Y., Knyazev B.A., Kruchinina M.V. Instruments and Experimental Techniques, 2015, no. 3(58), pp. 381–388.Kühne P., Armakavicius N., Stanishev V., Herzinger C. M., Schubert M., and DarakchievaV. Advanced Terahertz Frequency-Domain Ellipsometry Instrumentation for In Situ and Ex Situ Applications // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2018. Vol. 8, N 3. P. 257—270.Kühne P., Armakavicius N., Stanishev V., Herzinger C.M., Schubert M. and Darakchieva V. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2018, no. 3(8), pp. 257–270.Azarov I. A., Choporova Y. Yu., Shvets V. A., Knyazev B. A. An Ellipsometric Technique with an ATR Module and a Monochromatic Source of Radiation for Measurement of Optical Constants of Liquids in the Terahertz Range // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2019. Vol. 40, N 2. P. 200—209.Azarov I.A., Choporova Y.Yu., Shvets V.A., Knyazev B.A. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2019, no. 2(40), pp. 200–209.THz sources of TeraSense Group, Inc. [Электронный ресурс]: https://terasense.com/products/terahertz-sources/.THz sources of TeraSense Group, Inc., https://terasense.com/products/terahertz-sources/.Kuznetsov S. A., Arzhannikov A. V., Kubarev V. V., Kalinin P. V., Sorolla M., Navarro-Cia M., Aznabet M., Beruete M., Falcone F., Goncharov Yu. G., Gorshunov B. P., Gelfand A. V., Fedorinina N. I. Development and Characterization of Quasi-Optical Mesh Filters and Metastructures for Subterahertz and Terahertz Applications // Key Eng. Mat. 2010. Vol. 437. P. 276—280.Kuznetsov S.A., Arzhannikov A.V., Kubarev V.V., Kalinin P.V., Sorolla M., Navarro-Cia M., Aznabet M., Beruete M., Falcone F., Goncharov Yu.G., Gorshunov B.P., Gelfand A.V., Fedorinina N.I. Key Eng. Mat., 2010, vol. 437, рр. 276–280.Mamrashev A. A., Nikolaev N. A., Kuznetsov S. A., Gelfand A. V. Broadband metal-grid polarizers on polymeric films for terahertz applications // Proc. V Intern. Conf. on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO-2020). St. Petersburg, Russia, 14–18 September 2020, AIP Conf. Proc. Vol. 2300. Art. no. 020083.Mamrashev A.A., Nikolaev N.A., Kuznetsov S.A., Gelfand A.V. Proc. V Intern. Conf. on Metamaterials and Nanophotonics (METANANO-2020), St. Petersburg, Russia, September 14–18, 2020, AIP Conf. Proc., vol. 2300, art. no. 020083.Kostenko A. A. Engineering characteristics of one-dimensional small-period diffraction gratings in millimeter-and submillimeter-wave ranges // Microwave Opt. Technol. Lett. 1998. Vol. 19, N 6. P. 438–444.Kostenko A.A. Microwave Opt. Technol. Lett., 1998, no. 6(19), pp. 438–444.Baena J. D., del Risco J. P., Slobozhanyuk A. P., Glybovski S. B., and Belov P. A. Self-complementary metasurfaces for linear-to-circular polarization conversion // Phys. Rev. B. Condens. Matter. 2015. Vol. 92. Art. no. 245413.Baena J.D., del Risco J.P., Slobozhanyuk A.P., Glybovski S.B., and Belov P.A. Phys. Rev. B, Condens. Matter., 2015, vol. 92, рр. 245413.Sayanskiy A., Kuznetsov S. A., Tanygina D. S., del Risco J. P., Glybovski S., Baena J. D. Frequency-Controllable Polarization Rotation of THz Waves With an SCMS // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2020. Vol. 68, N 3. P. 1491—1502.Sayanskiy A., Kuznetsov S.A., Tanygina D.S., del Risco J.P., Glybovski S., Baena J.D. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2020, no. 3(68), pp. 1491–1502.Kozlov G. V., Volkov V. V. Coherent Source Submillimeter Wave Spectroscopy // Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1998. Topics in Applied Physics. Vol. 74. P. 51—109.Kozlov G.V., Volkov V.V. Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids, Berlin; Heidelberg, Springer-Verlag, 1998, Topics in Applied Physics, vol. 74, рр. 51–109.Lamb J. W. Miscellaneous data on materials for millimetre and submillimetre optics // Intern. Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1996. Vol. 17, N 12. P. 1997—2034.Lamb J.W. Intern. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1996, no. 12(17), pp. 1997–2034.Коваленко Н. А., Олегин И. П., Гоцелюк Т. Б., Чаплыгин В. Н., Петров П. М. Численно-экспериментальное исследование прочности элементов конструкций из слоистых углепластиков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты, материаловедение). 2014. № 1(62). С. 69—75.Kovalenko N.A., Olegin I.P., Gotselyuk T.B., Chaplygin V.N., Petrov P.M. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovaniye, instrumenty, materialovedeniye), 2014, no. 1(62), pp. 69–75. (in Russ.)Беспалов В. А., Глебова М. А., Гоцелюк Т. Б., Гришин В. И. Исследование критериев разрушения композиционных образцов с концентраторами напряжений при сжатии // Механика композиционных материалов и конструкций. 2014. Т. 20, № 1. С. 58—86.Bespalov V.A., Glebova M.A., Gotselyuk T.B., Grishin V.I. Mekhanika kompozitsionnykh materialov i konstruktsii, 2014, no. 1(20), pp. 58–86. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.