Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИНФРАКРАСНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ

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

Спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПЭВ [1]. В ИК-диапазоне практикуют, главным образом, абсорбционную ПЭВ-спектроскопию, в которой измеряемой величиной является длина распространения ПЭВ L (расстояние вдоль трека, на котором интенсивность поля ПЭВ уменьшается в е≈2.718 раз), достигающая 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, а интенсивность поля ПЭВ максимальна на направляющей ее поверхности, то чувствительность ПЭВ-спектроскопии значительно выше чувствительности иных оптических методов контроля проводящей поверхности в ИК-диапазоне.

Точность определения величины L, а, следовательно, и точность самого метода ПЭВ-спектроскопии, пропорциональна числу N измерений интенсивности ПЭВ в различных точках трека (где N≥2) и в значительной степени зависит от стабильности условий преобразования ПЭВ в детектируемую фотоприемником объемную волну (ОВ); в частности - от неизменности величины зазора между элементом преобразования ПЭВ в ОВ и поверхностью образца в процессе перемещения этого элемента вдоль трека.

Известно устройство для измерения длины распространения монохроматических ПЭВ ИК-диапазона, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей ПЭВ, фиксированный относительно поверхности элемент преобразования излучения в ПЭВ, перемещаемый вдоль трека ПЭВ элемент преобразования ПЭВ в объемную волну, приемник излучения, выходящего из второго элемента преобразования, и измерительный прибор, регистрирующий сигналы с выхода фото приемника [2]. Основными недостатками такого устройства являются низкая точность измерений, обусловленная наличием паразитных приповерхностных объемных волн, порождаемых на первом элементе преобразования в результате дифракции падающего излучения, и вариациями оптической связи между ПЭВ и вторым элементом преобразования в процессе его перемещения.

Известно устройство для измерения длины распространения ИК ПЭВ, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец, состоящий из двух частей, сопряженных плоскими гранями, фиксированный относительно поверхности первой (по ходу излучения) части элемент преобразования излучения в ПЭВ и подключенный к измерительному прибору фотодетектор, размещенный у края поверхности в плоскости падения излучения; причем, фотодетектор имеет возможность перемещаться вдоль линии пересечения плоскости падения излучения и волноведущей поверхности, а вторая часть образца является съемной [3]. Основными недостатками такого устройства являются низкая точность измерений, обусловленная наличием паразитных приповерхностных объемных волн, порождаемых вследствие дифракции падающего излучения на первом элементе преобразования, и минимальным числом измерений (N=2) интенсивности ПЭВ - при наличии второй части образца и в ее отсутствии.

Известно устройство для измерения длины распространения ПЭВ ИК диапазона, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с направляющей ПЭВ плоской гранью и ее ребром, перпендикулярным треку, размещенный в окружающей среде над волноведущей гранью элемент преобразования излучения в ПЭВ, способный перемещаться вдоль трека, приемник излучения, зафиксированный относительно образца и размещенный в плоскости падения на уровне направляющей ПЭВ грани, и измерительный прибор, регистрирующий сигналы с выхода приемника [4]. Основными недостатками известного устройства являются низкая точность измерений, обусловленная наличием паразитных приповерхностных объемных волн, порождаемых при дифракции падающего излучения на элементе преобразования и вариациями оптической связи между ПЭВ и элементом преобразования в процессе его перемещения.

Известно устройство для измерения длины распространения монохроматических ПЭВ ИК диапазона, содержащее источник излучения, направляющий ПЭВ составной твердотельный образец, состоящий из примыкающих друг к другу двух частей, первая из которых является плоскогранной, а вторая - полуцилиндром с радиусом образующей меньше длины распространения ПЭВ, основание которого сопряжено с торцом первой части и ориентировано перпендикулярно треку ПЭВ, размещенный в окружающей среде над волноведущей поверхностью неподвижный элемент преобразования излучения в ПЭВ, приемник излучения, размещенный в плоскости падения излучения у края второй части, а также - измерительный прибор, подключенный к приемнику; причем, обе части образца и приемник размещены на подвижной платформе, способной перемещаться параллельно волноведущей поверхности первой части [5]. Основным недостатком такого устройства является низкая точность измерений, обусловленная изменением величины зазора между элементом преобразования и поверхностью первой части, а также - смещением пучка излучения источника относительно этого элемента в процессе перемещения платформы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для измерения длины распространения РЖ ПЭВ, содержащее источник p-поляризованного монохроматического излучения, твердотельный образец с направляющей волну плоской гранью, элемент преобразования излучения в ПЭВ, выполненный в виде цилиндрического сегмента, ось которого перпендикулярна плоскости падения излучения, а его выпуклая поверхность, способная направлять ПЭВ, примыкает к грани образца и имеет протяженность линии пересечения с плоскостью падения меньше длины распространения ПЭВ, перемещаемую параллельно грани платформу, элемент преобразования ПЭВ в объемную волну, фотоприемник и подключенный к нему измерительный прибор, регулируемую линию задержки, состоящую из четырех зеркал, ориентированных перпендикулярно к поверхности образца и примыкающих к ней; причем, ось симметрии линии перпендикулярна треку ПЭВ, одна пара зеркал линии фиксирована на треке в плоскости падения, а вторая - размещена на платформе, перемещение которой ограничено направлением вдоль оси симметрии линии; кроме того, элемент преобразования ПЭВ в объемную волну идентичен элементу преобразования излучения источника в ПЭВ, но примыкает к противоположному ребру грани образца в месте ее пересечения с плоскостью падения [6]. Основными недостатками известного устройства являются избыточное число зеркал, отражающих пучок ПЭВ в процессе измерений, что приводит не только к удорожанию устройства и усложнению его юстировки, но и к понижению точности измерений вследствие понижения соотношения сигнал/шум из-за порождения паразитных объемных волн при каждом взаимодействии ПЭВ с зеркалом.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является сокращение числа входящих в состав устройства зеркал и количества отражений ПЭВ зеркалами в процессе измерений.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения длины распространения ИК ПЭВ, содержащем источник p-поляризованного монохроматического излучения, цилиндрический фокусирующий объектив, твердотельный плоскогранный образец с направляющей волну гранью, элемент преобразования излучения в ПЭВ, выполненный в виде цилиндрического сегмента, ось которого перпендикулярна плоскости падения излучения, а его выпуклая поверхность, способная направлять ПЭВ, примыкает к волноведущей грани образца и имеет протяженность линии пересечения с плоскостью падения меньше длины распространения ПЭВ, элемент преобразования ПЭВ в объемную волну, идентичный элементу преобразования излучения в ПЭВ и также примыкающий к волноведущей грани, подвижную платформу, перемещаемую параллельно этой грани, размещенное на платформе уголковое зеркало, ориентированное перпендикулярно к волноведущей грани и примыкающее к ней своими отражающими поверхностями, фотоприемник и подключенный к нему измерительный прибор, плоскость симметрии зеркала ориентирована параллельно плоскости падения излучения, а само устройство дополнительно содержит непрозрачный экран, разделяющий элементы преобразования, которые, в свою очередь, примыкают к одному ребру волноведущей грани, противолежащему отражающим поверхностям зеркала и перпендикулярному к его плоскости симметрии, причем эти элементы равноудалены от последней, а платформа может перемещаться вдоль плоскости падения излучения.

Сокращение числа входящих в состав устройства зеркал и количества отражений ПЭВ зеркалами в процессе измерений достигается размещением элементов преобразования излучения в ПЭВ и обратно у одного ребра волноведущей грани, а не у ее противоположных ребер как это выполнено в устройстве-прототипе. При таком размещении элементов преобразования устраняется необходимость отклонения пучка ПЭВ (с помощью второго уголкового зеркала) от плоскости падения излучения, а важное условие высокого соотношения сигнал/шум - неподвижность элементов преобразования в ходе измерений - по-прежнему соблюдается. Кроме того, размещением элементов преобразования у одного ребра волноведущей грани образца позволяет уменьшить ее необходимый (для выполнения измерений) размер, а, значит, и уменьшить размер всего устройства.

На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства (вид сверху), где 1 - источник p-поляризованного монохроматического излучения, 2 - фокусирующее цилиндрическое зеркало, образующая которого перпендикулярна плоскости падения излучения; 3 - цилиндрический элемент преобразования излучения в ПЭВ, выпуклая поверхность которого способна направлять ПЭВ, ее образующая параллельна образующей зеркала 2, а дуга в плоскости падения короче длины распространения ПЭВ; 4 - плоская грань образца, сопряженная своим ребром с элементом 3 и способная направлять ПЭВ; 5 - уголковое зеркало, отражающие поверхности которого перпендикулярны к грани 4, примыкают к ней и обращены к ребру грани 4, сопряженному с элементом 3, таким образом, что плоскость симметрии зеркала параллельна плоскости падения излучения; 6 - элемент преобразования ПЭВ в объемное излучение, идентичный элементу 3 и примыкающий к тому же ребру грани 4, причем элементы 3 и 6 расположены симметрично относительно плоскости падения и равноудалены от нее; 7 - фотоприемник; 8 - электроизмерительный прибор, подключенный к приемнику 7; 9 - непрозрачный экран, разделяющий элементы 3 и 6; 10 - подвижная платформа, содержащая зеркало 5 и способная перемещаться параллельно грани 4 вдоль плоскости падения излучения.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на зеркало 2, которое фокусирует его на свободное ребро цилиндрической поверхности элемента 3 с радиусом кривизны не менее 100⋅λ, что обеспечивает неизлучающий характер ПЭВ на ней. Дифрагируя на ребре, излучение преобразуется в ПЭВ, направляемую выпуклой поверхностью элемента 3. Достигнув ее второго ребра, ПЭВ переходит на плоскую грань 4 образца и распространяется по ней с некоторым затуханием, обусловленным джоулевыми потерями в материале образца. Вследствие потерь, интенсивность ПЭВ уменьшается вдоль трека по экспоненциальному закону, характеризуемому длиной распространения L волны. Дойдя до уголкового зеркала 5, ПЭВ последовательно взаимодействует с его отражающими поверхностями и изменяет направление своего распространения на обратное. Вернувшись на исходное ребро грани 4, ПЭВ переходит на выпуклую поверхность элемента 6. Достигнув ее свободного ребра, ПЭВ дифрагирует на нем и трансформируется в объемное излучение, поступающее во входное окно приемника 7, сопряженного с прибором 8. Показания прибора 8 пропорциональны интенсивности детектируемой объемной волны, а, следовательно, и интенсивности ПЭВ на свободном ребре элемента 6. При этом приемник 7 защищен от паразитных засветок, исходящих от элемента 3, непрозрачным экраном 9, что способствует повышению соотношения сигнал/шум. Изменив расстояние между зеркалом 5 и ребром грани 4, сопряженным с элементами 3 и 6, с помощью платформы 10, на которой укреплено зеркало 5, вновь регистрируют интенсивность ПЭВ, прошедшей в этот раз иное расстояние по грани 4. Тогда длину распространения ПЭВ L можно рассчитать по формуле [1]:

где |Δх| - изменение расстояния между зеркалом 5 и исходным ребром грани 4; I₁ и I₂ - сигналы, регистрируемые прибором 8 до и после изменения этого расстояния. Выполнив измерения и рассчитав значения L для большого числа расстояний х, пробегаемых ПЭВ, находят среднее значение L. Многократность измерений и усреднение их результатов способствуют повышению точности определения L. Отметим, что в заявляемом устройстве, как и в прототипе, элементы преобразования 3 и 6 выполнены в виде цилиндрических сегментов, выпуклые поверхности которых способны направлять ПЭВ; такая форма этих элементов позволяет им выполнять, наряду с функцией преобразования волн, и дополнительную функцию экранирования элементов схемы от паразитных волн, порождаемых излучением источника 1 на свободном ребре элемента 3 и при взаимодействии ПЭВ с зеркалом 5 [7].

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность измерения длины распространения ПЭВ L, генерируемой излучением с λ=130 мкм на поверхности непрозрачного слоя золота, напыленного на плоскую грань размещенной в воздухе полированной стеклянной подложки и содержащего покровный слой сульфида цинка толщиной 0.5 мкм. Известно, что в этом случае L≈280 мм [7]. Пусть грань 4 имеет размер 100×50 мм² (в два раза меньше, чем в прототипе), что обеспечивает максимальную длину пробега ПЭВ до 200 мм. Тогда, при шаге смещения зеркала 5 равном 10 мкм и максимальном изменении расстояния от этого зеркала до ребра грани 4 равном 70 мм, число измерений N интенсивности ПЭВ будет равно 7000 (на 40% больше, чем в прототипе), что обеспечивает статистическую погрешность определения L не превышающую ее значение при использовании устройства-прототипа.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство позволяет сократить число входящих в состав устройства зеркал и количество отражений ПЭВ зеркалами в процессе измерений, что не только удешевляет устройство и упрощает его юстировку, но и позволяет уменьшить размер устройства, не понижая точности измерений.

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. Жижин Г.Н., Москалёва М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Селективное поглощение ПЭВ, распространяющейся по металлу в присутствии тонкой диэлектрической пленки // Письма в ЖЭТФ, 1976, т. 24, Вып.4, с. 221-225.

3. Жижин Г.Н., Мустафина О.М., Никитин А.К. Устройство для измерения длины распространения ПЭВ ИК-диапазона // Патент РФ на изобретение №2380664. - Бюл. №3 от 27.01.2010 г.

4. Gerasimov V.V., Knyazev В.A., Nikitin А.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metalized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, No. 17, 171912.

5. Никитин A.К., Жижин Г.Н., Князев Б.А., Никитин В.В. Устройство для измерения длины распространения монохроматических поверхностных электромагнитных волн инфракрасного диапазона // Патент РФ на изобретение №2470269, Бюл. №35 от 20.12.2012 г.

6. Никитин А.К., Князев Б.А., Герасимов В.В. Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны // Патент РФ на изобретение RU 2645008, Бюл. №5 от 15.02.2018 г. (прототип)

7. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Growth of terahertz surface plasmon propagation length due to thin-layer dielectric coating // Journal of the Optical Society of America (B), 2016, v.33, Is. 11, p. 2196-2203.