Устройство для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения

Изобретение относится к бесконтактным исследованиям поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно - к определению спектров поглощения, как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения длины распространения поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), направляемой этой поверхностью, в инфракрасном диапазоне (ИК) спектра и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, в ИК спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике нанотехнологий.

Спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПЭВ [1, 2]. В ИК-диапазоне применяют, главным образом, абсорбционную ПЭВ-спектроскопию, предполагающую измерение длины распространения ПЭВ L, достигающую в этом диапазоне 1000λ (где λ - длина волны излучения, возбуждающего ПЭВ) и которая, поэтому, может быть измерена непосредственно. Причем, так как расстояние взаимодействия излучения с поверхностью в этом методе макроскопическое, то его чувствительность на много превышает чувствительность иных оптических методов контроля поверхности в ИК-диапазоне. Более того, в терагерцовой (ТГц) части ИК-диапазона метод ПЭВ-спектроскопии в настоящее время не имеет альтернативы при исследовании проводящей поверхности, ввиду близости коэффициента отражения металлов на этих частотах к 100% [3].

Известно устройство для исследования тонких слоев методом абсорбционной ПЭВ-спектроскопии в ТГц области спектра, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, объединенные в один элементы преобразования излучения источника в ПЭВ и обратно, выполненные в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом, обращенной основанием к образцу, внедренной в поле ПЭВ и расположенной параллельно поверхности образца на расстоянии не меньше 10λ, причем размер пластины в плоскости падения не меньше длины распространения ПЭВ, а также - фотоприемное устройство, выполненное в виде линейки фото детекторов и размещенное на верхней грани пластины [4]. Основным недостатком такого устройства является искажение результатов измерений вследствие внедрения пластины в поле ПЭВ, что приводит к увеличению потерь энергии ПЭВ на излучение и, как следствие, к уменьшению длины распространению ПЭВ по сравнению с невозмущенной поверхностью образца.

Известно устройство для определения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов (ПП) - разновидности ПЭВ - по реальной поверхности, способное выполнять измерение за время одного импульса излучения источника и содержащее источник излучения, поляризатор, цилиндрический фокусирующий объектив, образец с плоской гранью, направляющей ПП, призменный элемент преобразования излучения источника в ПП и обратно, два одинаковых фотоприемных комплекта, размещенных вне поля ПП и состоящих из регулируемой диафрагмы, собирающей линзы и фотодетектора, установленного в фокусе линзы и подключенного к измерительному прибору, каждый [5]. Основным недостатком этого устройства является зависимость результатов измерений от степени однородности поверхности, поскольку оно адекватно функционирует только при условии статистически равномерного распределения неоднородностей по треку ПП; кроме того, для устройства характерно низкое соотношение сигнал/шум в случае поверхности с малыми неоднородностями, когда радиационные потери ПП невелики (по сравнению с джоулевыми потерями).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, реализующее способ определения коэффициента затухания ПЭВ ИК диапазона за время одного импульса излучения и содержащее источник излучения, твердотельный образец с плоской прямоугольной гранью, способной направлять ПЭВ, элемент преобразования излучения источника в ПЭВ и два фотоприемника, размещенных у кромок грани и подключенных к раздельным измерительным приборам [6].

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение соотношения сигнал/шум и упрощение процедуры измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для определения длины распространения ПЭВ инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащем источник излучения, цилиндрический фокусирующий объектив, твердотельный образец со способной направлять ПЭВ плоской прямоугольной гранью, элемент преобразования излучения источника в коллимированный пучок ПЭВ, лучеразделитель, расщепляющий пучок на два вторичных пучка, и два фотоприемника, размещенных у освещаемых вторичными пучками участков ребер грани и подключенных к раздельным измерительным приборам, элемент преобразования изготовлен в форме цилиндрического сегмента, примыкающего одним из ребер выпуклой поверхности к грани образца, а лучеразделитель выбран в виде плоской светоделительной пластинки, установленной на грани и ориентированную перпендикулярно к ней таким образом, что пластинка пересекает трек ПЭВ, исходящих от элемента преобразования, под углом 45°, причем один из фотоприемников размещен в плоскости падения излучения, а второй - в плоскости, перпендикулярной к ней.

Повышение соотношения сигнал/шум в процессе измерений обеспечивается заменой двух элементов схемы устройства-прототипа на их аналоги с более низким уровнем шума, обусловленного паразитными приповерхностными объемными волнами. Во-первых, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, изготовленный в виде планарной дифракционной решетки на волноведущей грани образца, предложено заменить на цилиндрический сегмент, примыкающий одним ребер его выпуклой поверхности к направляющей ПЭВ грани образца. Такой элемент преобразования позволяет не только трансформировать объемную волну в поверхностную [7], но и эффективно экранирует (горизонтом своей выпуклой поверхности) фотоприемник от паразитных объемных волн, порождаемых при дифракции излучения источника на свободном ребре его выпуклой поверхности [8]. Во-вторых, в качестве лучеразделителя предложено использовать плоскую светоделительную пластинку вместо уголкового зеркала, отражающие грани которого перпендикулярны к поверхности образца и образуют ребро, проходящее через центр исходного пучка ПЭВ. Вследствие дифракции пучка на ребре зеркала (в устройстве-прототипе) образуется веер паразитных приповерхностных объемных волн, засвечивающих фотоприемники и порождающих в них большой шумовой фототок. При делении же пучка с помощью пластинки (в заявляемом устройстве) интенсивность паразитных волн значительно меньше, чем при использовании зеркала [9], что и позволяет снизить уровень шума фототока в обоих приемниках.

Упрощение процедуры измерений достигается в результате устранения необходимости установки лучеразделителя на грани образца таким образом, чтобы энергии обоих вторичных пучков ПЭВ были строго одинаковы. В устройстве-прототипе это условие выполняется путем прецизионного перемещения уголкового зеркала в плоскости, перпендикулярной плоскости падения исходного пучка ПЭВ. В заявляемом же устройстве нет необходимости выполнять выше упомянутое условие, поскольку длину распространения ПЭВ рассчитывают путем нахождения отношения интенсивностей прошедшего (через пластинку) и отраженного (пластинкой) пучков ПЭВ, обе из которых пропорциональны интенсивности исходного пучка.

На чертеже приведена схема (вид сверху) заявляемого устройства, где 1 - источник р-поляризованного монохроматического излучения, 2 - цилиндрический фокусирующий объектив; 3 - элемент преобразования излучения источника 1 в пучок ПЭВ, имеющий форму цилиндрического сегмента, выпуклая поверхность которого способна направлять ПЭВ; 4 - плоская прямоугольная грань образца, к одному из ребер которой примыкает своей выпуклой поверхностью элемент 3; 5 - плоская светоделительная пластинка, установленная на грани 4 и ориентированная перпендикулярно к ней таким образом, что пересекает пучок ПЭВ, исходящих от элемента 3, под углом 45°; 6 - фотоприемник, примыкающий к ребру грани 4, освещаемому прошедшим через пластинку 5 пучком ПЭВ; 7 - измерительный прибор, подключенный к приемнику 6; 8 - фотоприемник, примыкающий к ребру грани 4, освещаемому отраженным от пластинки 5 пучком ПЭВ; 9 - измерительный прибор, подключенный к приемнику 8.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на объектив 2 и фокусируется им на свободное ребро цилиндрической поверхности элемента 3. Вследствие дифракции на этом ребре излучение с некоторой эффективностью преобразуется в пучок ПЭВ [8], направляемый выпуклой поверхностью элемента 3. Дойдя до противоположного ребра цилиндрической поверхности элемента 3, пучок ПЭВ переходит на плоскую грань 4 образца. Пройдя по ней в плоскости падения излучения расстояние х₁, исходный пучок ПЭВ достигает светоделительной пластинки 5. На ней исходный пучок разделяется на два вторичных пучка: прошедший через пластинку 5 и отраженный от нее. Прошедший пучок, пройдя расстояние х₂, достигает ребра грани 4 и поглощается фотоприемником 6, который продуцирует измеряемый прибором 7 сигнал I_T=I₀⋅Т⋅ехр[-α⋅(х₁+x₂)], где I₀ - сигнал, который порождал бы фотоприемник при размещении на стыке элемента 3 и грани 4; Т - коэффициент пропускания пластинки 5 на длине волны излучения источника 1; α - коэффициент затухания ПЭВ. Пучок, отраженный пластинкой 5, пройдя расстояние х₃, достигает другого ребра грани 4 и поглощается фотоприемником 8, который продуцирует измеряемый прибором 9 сигнал I_R=I₀⋅R⋅ехр[-α⋅(х₁+х₃)], где R - коэффициент отражения излучения источника 1 пластинкой 5. Тогда, располагая результатами измерений значений I_T и I_R, а также зная расстояния х₂ и х₃, можно рассчитать длину распространения ПЭВ L по формуле, получаемой из отношения I_T/I_R:

где Т и R - предварительно измеренные значения коэффициентов пропускания и отражения пластинки 5 при угле падения 45°.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность определения с его помощью длины распространения описанной в прототипе ПЭВ, которая генерируется на поверхности алюминиевого образца, размещенного в воздухе, лазерным излучением с λ=110 мкм и длительностью импульсов 3 мкс [6]. В качестве элемента преобразования 3 выберем цилиндрический сегмент, являющийся одной восьмой частью стеклянного диска толщиной 25 мм и радиусом кривизны равным 60 мм; выпуклая поверхность диска покрыта непрозрачным слоем напыленного металла, содержащим 1 мкм покрытие из сульфида цинка для повышения эффективности преобразования [8]. В качестве приемников 6 и 8, как и в устройстве-прототипе, выберем детекторы МГ-32. Роль светоделителя 5 отведем каптоновой пленке (с комплексной диэлектрической проницаемостью толщиной 0.14 мм, ориентированной под 45° относительно плоскости падения излучения на элемент 3. Измеренные значения коэффициентов отражения и пропускания равны R=0.28 и T=0.52, соответственно [9]. Пусть расстояния х₂=150 мм и х₃=50 мм, при этом отношение сигналов I_T/I_R, вырабатываемых приборами 9 и 7, равно 1.05. Тогда, согласно формуле (1), получим: L≈14.97 см, что соответствует экспериментально определенному значению длины распространения ПЭВ [10].

Таким образом, заявляемое устройство позволяет определять длину распространения инфракрасной ПЭВ за время одного импульса излучения путем реализации более простой, по сравнению с прототипом, процедуры измерений, характеризуемых более высоким соотношением сигнал/шум.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.

2. Zhizhin G.N., Yakovlev V.A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves // Physics Reports. - 1990. - v. 194. - No.5/6. - p. 281-289.

3. Ordal M.A., Long L.L., Bell R.J. et al. Optical properties of metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti and W in the infrared and far infrared // Applied Optics. - 1983. - v. 22. - No.7. - p. l099-1120.

4. Никитин А.К., Жижин Г.Н., Богомолов Г.Д., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Устройство для получения спектров поглощения тонких слоев в терагерцовой области спектра // Патент РФ на изобретение №2345351. - Бюл. №3 от 27.01.2009 г.

5. Князев Б.А., Никитин А.К., Жижин Г.Н. Способ измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов по реальной поверхности // Патент РФ на изобретение №2512659. - Бюл. №1 от 10.01.2014 г.

6. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны ИК диапазона за время одного импульса излучения // Патент РФ на изобретение №2400714. - Бюл. №27 от 27.09.2010 г. (прототип).

7. Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin A.A. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8, No. 7, p. 386-388.

8. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Growth of terahertz surface plasmon propagation length due to thin-layer dielectric coating // JOSA (B), 2016, v. 33, Is. 11, p. 2196-2203.

9. Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Lemzyakov A.G. et al. Splitting of terahertz surface plasmons by polyimide films // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series, 2018, v. 1092, 012040 (doi: 10.1088/1742-6596/1092/1/012040)

10. Жижин Г.Н., Никитин A.К., Богомолов Г.Д. и др. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух" // Оптика и спектроскопия, 2006, Т. 100, №5, с. 798-802.