Интерферометр для определения показателя преломления инфракрасной поверхностной электромагнитной волны
INTERFEROMETER FOR DETERMINING REFLECTIVE INDEX OF INFRARED SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVE

Изобретение относится к оптике конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных твердых тел, способных направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) инфракрасного (ИК) диапазона, а также для исследования переходного слоя на поверхности таких тел и в оптических сенсорных устройствах [1].
Известен метод фазовой спектроскопии поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) - разновидности ПЭВ, реализуемый с помощью двулучевого интерферометра, в котором свет в одном из плеч распространяется в форме объемной волны, а в другом - в форме ППП, направляемых плоской гранью проводящего образца [2].
Такой ППП-интерферометр содержит источник ИК монохроматического излучения, фокусирующий объектив, проводящий образец с плоской гранью, имеющей прямоугольное ребро, металлический экран, удаленный от ребра на сравнимое с длиной распространения ППП расстояние и размещенный над гранью таким образом, что его край, обращенный к грани, удален от нее на расстояние равное глубине проникновения поля ППП в окружающую среду, линейку фотодетекторов, размещенную в плоскости падения излучения над плоскостью грани в дальней волновой зоне ребра, и, сопряженное с линейкой устройство обработки информации.
Излучение источника, дифрагируя на крае экрана, преобразуется с некоторой эффективностью в ППП и набор объемных волн, распространяющихся в окружающей среде под различными углами к поверхности грани образца. ППП проходят расстояние, отделяющее экран от ребра образца и, дифрагируя на нем, преобразуются в объемную волну, излучаемую под некоторым углом к плоскости грани в окружающую среду [3]. Волны, исходящие от края экрана и ребра образца, взаимодействуют друг с другом и формируют интерферограмму, регистрируемую линейкой детекторов и анализируемую устройством обработки информации. Анализ двух интерферограмм, полученных при различных расстояниях пробега ППП по образцу, позволяет определить как вещественную κ', так и мнимую κ'' части комплексного показателя преломления κ=κ'+i⋅κ'' ИК ППП.
-2
-2
Основным недостатком известного интерферометра является низкая точность определения κ' по координатам экстремумов интерферограммы. Этот недостаток объясняется тем, что: 1) диаграмма направленности объемного излучения, порождаемого на крае экрана, имеет, в значительной степени, случайный характер. В частности, перемещение экрана вдоль трека ППП искажает диаграмму, что приводит к большой погрешности определения координат экстремумов интерферограммы; 2) скачок фазы, возникающий при срыве ППП с ребра образца, зависит от пройденного ими расстояния. Поэтому, точность определения κ' не превышает 10, в то время как отличие значения κ' от единицы для ИК ППП меньше чем 10.
Известен плазмонный спектрометр (интерферометр) терагерцового (ТГц) диапазона для определения диэлектрической проницаемости проводящих материалов, содержащий перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения с отличной от нуля р-составляющей, лучеразделитель, расщепляющий излучение на измерительный и реперный пучки, зеркало, элемент преобразования объемного излучения измерительного пучка в ППП, твердотельный образец с плоской поверхностью, элемент преобразования ППП в объемное излучение, непрозрачную заслонку, перекрывающую реперный пучок при регистрации интенсивности излучения измерительного пучка, лучеразделитель, совмещающий измерительный и реперный пучки, регулируемый компенсатор, фокусирующий объектив и фотоприемное устройство [4].
Как и устройство [2], этот интерферометр является двулучевым, в одном из плеч которого излучение часть пути существует в форме ППП, но в нем подвижным является элемент преобразования ППП в объемную волну, разделение излучения источника осуществляется плоскопараллельной пластинкой, а для определения набега фазы при изменении длины пробега ППП служит регулируемый компенсатор.
Основным недостатком известного устройства является низкая точность определения показателя преломления ППП, что обусловлено: во-первых, наличием фонового излучения, возникающего в результате дифракции излучения источника на элементе преобразования и создающего паразитные помехи на фотоприемнике; во-вторых, длину распространения ППП L, необходимую для определения κ'', определяют по интенсивности ППП, измеренной всего в двух точках трека (точность определения L, а значит и κ'', пропорциональна числу измерений интенсивности ППП в различных точках трека); в-третьих, невозможностью осуществлять регулирование интенсивности реперного пучка, а следовательно, и контраста интерференционной картины.
Известен плазмонный спектрометр (представляющий собой двулучевой интерферометр) ТГц диапазона для исследования проводящей поверхности, в котором интерферограмму получают в параллельных пучках объемных волн, одна из которых порождена ППП на перемещаемом вдоль их трека наклонном плоском зеркале [5].
Спектрометр содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, светоделитель в виде плоскопараллельной пластинки, расщепляющий пучок излучения источника на измерительный и реперный пучки, элемент преобразования объемного излучения измерительного пучка в ППП, твердотельный проводящий образец, имеющий две плоские смежные грани, на одной из которых размещен элемент преобразования излучения источника в ППП, а на другой - элемент преобразования ППП в объемную волну, выполненный в виде перемещаемого вдоль трека наклонного плоского зеркала, заслонку, перекрывающую реперный пучок, регулируемый поглотитель реперного пучка, неподвижное плоское зеркало, светоделитель, совмещающий пучки, фокусирующий объектив и фотоприемник.
Основными недостатками известного устройства являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью постепенного перемещения наклонного зеркала вдоль трека на расстояние, сравнимое с длиной распространения ППП; 2) наличие паразитной засветки фотоприемника объемными волнами, излучаемыми с ребра, сопрягающего грани образца, и с трека ППП [6]; 3) низкая точность определения κ', что объясняется большим изменением контраста интерферограммы вследствие значительного изменения интенсивности измерительного пучка по мере продвижения наклонного зеркала.
Известен амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр, предназначенный для определения комплексного показателя преломления ИК ППП и фактический представляющий собой двулучевой интерферометр, в котором излучение в одном из плеч часть пути существует в форме ППП [7].
Спектрометр содержит перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в ППП, твердотельный образец с плоской гранью, неподвижный экран, установленный над треком ППП так, что его край отстоит от грани на расстояние, не превышающее глубину проникновения поля ППП в окружающую среду, и фотоприемник, установленный на перемещаемой вдоль трека платформе и подключенный к устройству обработки информации.
Как и в устройстве [2], разделение излучения на два пучка происходит при его дифракции на крае экрана, что и обуславливает основной недостаток устройства [7] - низкую точность измерений из-за паразитных засветок приемника объемными волнами, исходящими от элемента преобразования.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является статический двулучевой интерферометр для определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, в котором излучение в обоих плечах существует в форме сходящихся под небольшим углом пучков ПЭВ, а интерферограмма образуется в плоскости направляющей ПЭВ грани образца [8].
Интерферометр содержит источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в ПЭВ, твердотельный образец с плоской гранью, способной направлять ПЭВ, уголковое зеркало, расщепляющее исходный пучок ПЭВ на два новых когерентных пучка, четыре зеркала, отражающие пучки ПЭВ в плечах интерферометра, второе уголковое зеркало, сбивающее оба пучка ПЭВ, линейку фотодетекторов, размещенную в плоскости грани образца и устройство обработки информации; причем все зеркала установлены на поверхности грани образца и ориентированы перпендикулярно ей.
Основными недостатками известного устройства являются сложность его схемы и процедуры обработки результатов измерений.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача упрощения как схемы интерферометра для определения комплексного показателя преломления ИК ПЭВ, так и процедуры обработки результатов измерений.
Суть изобретения заключается в том, что известный статический интерферометр, предназначенный для определения показателя преломления монохроматической ИК ПЭВ, содержащий источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в ПЭВ, твердотельный образец с плоской гранью, способной направлять ПЭВ, делитель пучка ПЭВ, плоское зеркало, примыкающее своим ребром к направляющей ПЭВ грани, ориентированное перпендикулярно к ней и пересекающее трек ПЭВ, линейку фотоприемников, размещенную в плоскости грани, и устройство обработки информации, согласно изобретению дополнительно содержит заслонку, позволяющую поочередно перекрывать интерферирующие вторичные пучки ПЭВ, а делитель выполнен в виде полупрозрачной плоскопараллельной пластинки, примыкающей своим ребром к грани образца, ориентированной перпендикулярно к ней и пересекающей трек ПЭВ.
Упрощение схемы интерферометра достигается путем исключения из нее двух уголковых и трех плоских зеркал. В новой схеме расщепление исходного пучка ПЭВ на два новых реализуется не уголковым зеркалом, а полупрозрачной плоскопараллельной пластинкой, установленной на направляющей ПЭВ поверхности и ориентированной перпендикулярно к ней.
Упрощение процедуры обработки результатов измерений является следствием возможности расчета мнимой части κ'' показателя преломления ПЭВ по распределениям интенсивности на линейке фотоприемников каждого из интерферирующих пучков в отдельности (измеренным при блокировании другого пучка введенной в схему заслонкой), что позволяет не только получить расчетную формулу в явном виде, но и применить ее многократно к различным точкам интерферограммы с целью повышения точности определения κ''.
отр
пр
На Рис. 1 приведена схема (вид сверху) заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного р-поляризованного (относительно плоской грани образца) монохроматического ИК излучения; 2 - элемент преобразования излучения источника 1 в ПЭВ; 3 - плоская грань образца, способная направлять ПЭВ; 4 - полупрозрачная плоскопараллельная пластинка, ориентированная под углом γ относительно падающего на нее пучка ПЭВ, а также характеризуемая применительно к ПЭВ коэффициентом отражения k и коэффициентом пропуская k; 5 - плоское зеркало, ориентированное под углом β<γ относительно падающего на нее пучка ПЭВ; 6 - линейка фотоприемников, расположенная в плоскости грани 3; 7 - устройство обработки информации; 8 - поворотная заслонка с осью, перпендикулярной грани 3, которая позволяет поочередно перекрывать интерферирующие пучки ПЭВ.
На Рис. 2 приведена интерферограмма, регистрируемая линейкой приемников 6 в примере, иллюстрирующем работу заявляемого устройства.
На Рис. 3 приведены зависимости относительных интенсивностей интерферирующих пучков ПЭВ от абсциссы x их лучей, падающих на линейку приемников 6, в примере, иллюстрирующем работу заявляемого устройства.
Интерферометр работает следующим образом.
o
Излучение источника 1 с длиной волны λ направляют на элемент 2, преобразующий с некоторой эффективностью объемное излучение в ПЭВ. Коллимированный пучок ПЭВ, распространяется по грани образца 3 и падает на пластинку 4, которая расщепляет исходный пучок на два вторичных [9]. Прошедший сквозь пластинку 4 пучок падает на зеркало 5 и отражается им [10] на линейку фотоприемников 6, где он взаимодействует с другим вторичным пучком, отраженным пластинкой 4. В результате взаимодействия пучков формируется регистрируемая линейкой 6 интерферограмма. Электрические сигналы с пикселей линейки 6 поступают на устройство 7, которое по ним в двух максимумах интерферограммы и координатам пикселей рассчитывает вещественную часть κ' показателя преломления ПЭВ:
j
j+m
j
1
j
2
j
1
j
2
j
где m - число периодов между рассматриваемыми максимумами интерферограммы; ΔS и ΔS - геометрические разности хода соответствующих лучей интерферирующих пучков в j-ом и (j+m)-ом максимумах; ΔS=(S)-(S), где индексы 1 и 2 соответствуют отраженным зеркалом 5 и пластинкой 4 пучкам ПЭВ; (S) и (S) - расстояния, проходимые соответствующими лучами пучков 1, 2 и рассчитываемые по формулам:
;
;
j
o
j
o
j
j
o
j
o
j
o
o
j
j
jиин
o
jинт
l=l+Δl=l+x⋅tg(β) и h=h+Δh=h+x⋅tg(γ) - расстояния, проходимые j-м лучом от элемента 2 до зеркала 5 и пластинки 4, соответственно; l и h - наименьшие расстояния, отделяющие зеркало 5 и пластинку 4 от элемента 2, соответственно; x - абсцисса j-го луча пучка ПЭВ на элементе 2, рассчитываемая по формуле: x=x⋅cos(2β)-l⋅sin(2β), где x - координата этого же луча на линейке 6. Отметим, что формула (1) может быть применена многократно при обработке данной интерферограммы (для различных сочетаний j и (j+m) максимумов) с целью нахождения среднего значения κ' и повышения точности его определения.
1
2
инт
1
2
Значение мнимой части показателя преломления ПЭВ κ'' также можно определить по интерферограмме, как это предложено делать в устройстве-прототипе, а именно - решив нелинейное уравнение, описывающее зависимость результирующей интенсивности от координаты x относительно κ''. Однако мы предлагаем приборное решение данной проблемы, значительно упрощающее обработку результатов измерений и состоящее в том, чтобы измерить распределения интенсивности I(x) и I(x) на линейке 6 каждого из интерферирующих пучков в отдельности, перекрывая другой пучок заслонкой 8. Тогда, зная абсциссы x пикселей линейки 6 и интенсивности пучков I, I в местах расположения этих пикселей, величину κ'' можно рассчитать по формуле:
o
o
o
o
инт
o
o
-1
где k=2π/λ, l=l+x⋅tg(β), h=h+x⋅tg(γ), х=х⋅cos(2β)-l⋅sin(2β). Как и в случае определения κ', многократный расчет κ'' с целью нахождения его среднего значения способствует повышению точности определения искомой величины. Отметим, что изложенная методика определения κ'' фактически воспроизводит известную «двухпризменную» методику определения длины распространения ПЭВ L=(2kκ''), в которой соотносят натуральный логарифм отношения интенсивностей ПЭВ, прошедшей различные расстояния, к разности этих расстояний [11].
2
o
o
о
отр
пр
o
o
o
В качестве примера применения заявляемого устройства, рассмотрим возможность определения показателя преломления ПЭВ, генерируемой излучением с λ=130 мкм на размещенной в вакууме плоской поверхности золотого образца, содержащей тонкослойное ZnS-покрытие толщиной 0.5 мкм. Для этого выберем образец, имеющий плоскую грань размером 10×5 см, элемент преобразования 2 - с выпуклой цилиндрической поверхностью [6], пластинку из высокоомного кремния с показателем преломления равным 3.5 в качестве светоделителя 4. Ширину пучка излучения источника 1 положим равной 10 мм, расстояния l=80 мм, h=50 мм, х=30 мм, коэффициент отражения пластинкой 4 ПЭВ положим k=0.3, а коэффициент пропускания ею ПЭВ k=0.6. Чтобы интерферирующие пучки ПЭВ пересеклись на линейке 6, при выбранных значениях l, h и х, углы отклонения нормалей к отражающим граням пластинки 4 и зеркала 5 от трека ПЭВ должны быть равны β=10°17', γ=15°29', соответственно. Регистрацию интерферограммы будем осуществлять линейкой микроболометров ТГц излучения, содержащей 320 пикселей размером 51 мкм каждый с общей протяженностью 16.32 мм [12].
1инт
17 инт
o
o
o
o
пр
отр
1инт
17инт
На Рис. 2 приведена интерферограмма, наблюдаемая в этом случае на линейке 6 при условии одинаковой интенсивности излучения по поперечному сечению пучка источника 1 и с учетом одинаковых фазовых сдвигов для всех лучей ПЭВ на пластике 4 и зеркале 5. Для расчета κ' рассмотрим 1-й и 17-й максимумы; на линейке 6 они имеют координаты x=30.41 мм и х=40.23 мм. Подставив значения l, h, х, λ, β, γ, k, k, х, x в формулу (1), и полагая m=16, получим: κ'=1.005.
инт
1
о
2
о
o
o
о
o
о
пр
отр
инт
1
o
2
o
-1
Для определения κ'' выберем на интерферограмме точку (пиксель на линейке 6) с абсциссой х=36.0 мм. Перекрывая задвижкой 8 интерферирующие пучки ПЭВ, установим, что в этой точке относительные интенсивности пучков I/I=0.0322 и I/I=0.0205 (I - интенсивность пучка ПЭВ на выходе элемента преобразования 2) (см. Рис. 3). Тогда, подставив в формулу (2) значения l, h, х, λ, β, γ, k, k, х, I/I и I/I, получим, что κ''=0.02 мм.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет упростить как схему интерферометра для определения комплексного показателя преломления ИК ПЭВ, так и процедуру обработки результатов измерений без понижения их точности при прочих равных условиях.
Источники информации
1. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer, 2007. - 223 p.
2. Алиева E.B., Жижин Г.Н., Кузик Л.А., Яковлев В.А. Исследование кристаллов в ИК-области методом спектроскопии ПЭВ // Физика твердого тела, 1998, т. 40, №2, с. 237-241.
3. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // JOSA(B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190.
4. Жижин Г.Н., Никитин A.K., Рыжова Т.Н. Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в инфракрасном диапазоне спектра // Патент РФ на изобретение №2263923. - Бюл. №31 от 10.XI.2005 г.
5. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Балашов А.А., Рыжова Т.А. Плазмонный спектрометр ТГц диапазона для исследования проводящей поверхности // Патент РФ на изобретение №2318192. - Бюл. №6 от 27.02.2008 г.
6. Gerasimov V.V., Knyazev В.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.
7. Никитин A.K., Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Князев Б.А., Хитров О.В. Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр // Патент РФ на изобретение №2477841. - Бюл. №8 от 20.03.2013 г.
8. Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин А.К., Хитров О.В. Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасной области спектра // Патент РФ на изобретение №2372591. - Бюл. №31 от 10.11.2009 г. (прототип)
9. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., and Zhizhin G.N. Reflection of terahertz surface plasmons from plane mirrors and transparent plates // Proc. 41-st Intern. Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THZ2016), Copenhagen, 25-30 Sept., 2016, Paper H3D.2. (ISBN 978-1-4673-8485-8). - http://www.irmmw-thz2016.org/
10. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Отражение монохроматических поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона плоским зеркалом // Квантовая электроника, 2017, т. 47 (1), с. 65-70.
11. Schoenwald J., Burstein Е., and Elson J.M. Propagation of surface polaritons over macroscopic distances at optical frequencies // Solid State Communications, 1973, v. 12, No. 3, p. 185-189.
12. Демьяненко M.A., Есаев Д.Г., Овсюк B.H., Фомин Б.И., Асеев А.Л., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н., Винокуров Н.А. Матричные микроболометрические приемники для инфракрасного и терагерцового диапазонов // Оптический журнал, 2009, т. 76, Вып. 12, с. 5-11.