УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
DEVICE FOR MEASURING PROPAGATION LENGTH OF SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVES IN INFRARED BAND

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 поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых 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 измерения длины распространения ПЭВ в ИК-диапазоне, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, фиксированный относительно поверхности элемент преобразования объемного излучения (ОИ) в ПЭВ, перемещаемый вдоль трека ПЭВ элемент преобразования ПЭВ в ОИ, фотодетектор, преобразующий ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений [4]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью прецизионного перемещения элемента преобразования (ПЭВ в ОИ) в процессе измерений; 2) низкая точность измерений, что связано с варьированием эффективности преобразования ПЭВ в ОИ при перемещении соответствующего элемента вдоль трека ПЭВ.
Известно устройство для определения коэффициента ПЭВ металлическими пленками, содержащее импульсный источник монохроматического излучения, элемент преобразования объемной электромагнитной волны в ПЭВ, прозрачную металлическую пленку, направляющую ПЭВ, снабженную двумя электродами, разнесенными вдоль трека ПЭВ, и имеющую ширину, не превосходящую поперечный размер пучка излучения источника, подложку для пленки, измеритель электрического напряжения, усилитель и источник постоянного тока [5]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) ограниченность класса исследуемых образцов (они должны быть прозрачными и шириной, не превосходящей поперечный размер пучка излучения источника); 2) ограниченность разновидностей излучения, возбуждающего ПЭВ (оно должно быть импульсным); 3) необходимость термостатирования источника для стабилизации его параметров.
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 ОИ 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, выполненое в виде линейки фотодетекторов и размещеное на верхней грани пластины [6]. 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является абсорбционный ПЭВ-спектрометр ТГц диапазона, содержащий источник лазерного излучения, фокусирующий объектив, твердотельный образец с плоской поверхностью, элемент преобразования ОИ в ПЭВ в виде непрозрачного экрана, перемещаемого над поверхностью, ограниченную в направлении распространения ПЭВ ребром образца, обеспечивающим трансформацию ПЭВ в ОИ, фотоприемное устройство, преобразующее ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений [7]. Основными недостатками известного устройства являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью прецизионного перемещения объектива и элемента преобразования (ОИ в ПЭВ) в процессе измерений; 2) низкая точность измерений, что связано с варьированием эффективности преобразования ОИ в ПЭВ при перемещении соответствующего элемента вдоль трека ПЭВ.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является сокращение времени и повышение точности измерений.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения длины распространения ПЭВ инфракрасного диапазона, содержащем источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей ПЭВ, элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ и фотодетектор, размещенный у края поверхности в плоскости падения излучения и подключенный к измерительному прибору, образец выполнен в виде двух частей, имеющих сопряженные плоские поверхности, лежащие в одной плоскости, элемент преобразования зафиксирован 1 относительно плоской поверхности первой части по ходу излучения, фотодетектор установлен с возможностью передвижения вдоль линии пересечения плоскости падения излучения и плоской поверхности образца, а вторая часть образца является съемной.
Сокращение времени измерений достигается за счет устранения необходимости прецизионного перемещения элемента преобразования объемной волны в поверхностную вдоль трека ПЭВ в процессе измерений на расстояние, сравнимое с длиной распространения ПЭВ (от нескольких сантиметров до нескольких дециметров, в зависимости от частоты излучения).
Повышение точности измерений достигается в результате фиксации элемента преобразования объемной волны в поверхностную относительно образца, что позволяет избежать варьирования эффективности возбуждения ПЭВ в процессе выполнения измерений.
На чертеже приведена схема заявляемого устройства, где 1 - источник р-поляризованного монохроматического излучения, 2 - элемент преобразования излучения в ПЭВ, 3 - неподвижная часть образца, 4 - съемная часть образца, 5 - фотодетектор, 6 - измерительный прибор.
2
1
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на элемент 2 и с некоторой эффективностью преобразуется в ПЭВ, направляемую плоской поверхностью неподвижной части 3 образца. Дойдя до края поверхности части 3 образца, ИК ПЭВ переходит, практически без изменения своей интенсивности, на плоскую поверхность съемной части 4 образца и продолжает распространяться в прежнем направлении до ее края. Дифрагируя на краю части 4 образца, ПЭВ трансформируется в объемную волну, которая поглощается фотодетектором 5. Сигнал, вырабатываемый фотодетектором 5 и пропорциональный интенсивности ПЭВ I на краю части 4 образца, регистрируется прибором 6. Затем съемную часть 4 образца изымают из установки, а фотодетектор 5 перемещают к краю части 3 образца и измеряют интенсивность ПЭВ I на краю неподвижной части 3 образца. После чего длина распространения ПЭВ L может быть рассчитана по формуле [1, 2]:
где l - расстояние, пройденное ПЭВ по съемной части 4 образца.
Ключевым моментом функционирования заявляемого устройства является факт перехода ИК ПЭВ с одной плоской проводящей поверхности на другую, сопряженную с первой и расположенную в одной и той же плоскости, практически без потерь. Это явление исследовано в работах [8, 9], где установлено, что в среднем ИК-диапазоне эффективность перехода ПЭВ с одной упомянутой выше металлической поверхности на другую составляет около 99%, а в ТГц области ИК-спектра она практически (в пределах точности измерений) достигает 100% при расстоянии между краями поверхностей до 10λ. Такие зазоры между металлическими изделиями без труда достигаются шлифованием сопрягаемых поверхностей.
A1
-5
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность измерения с его помощью длины распространения ПЭВ, генерируемой излучением источника 1 с длиной волны λ=20 мкм на поверхности напыленного алюминия, размещенного в воздухе. В качестве элемента преобразования 2 излучения источника в ПЭВ выберем непрозрачный экран, край которого ориентирован параллельно поверхности неподвижной части 3 образца и расположен на расстоянии 10λ от нее. Размер l съемной части 4 выберем равным 10,0 см. Согласно [3] диэлектрическая проницаемость алюминия на данной λ равна ε=-17925+i·17845. Тогда показатель поглощения ПЭВ (т.е. мнимая часть показателя преломления ПЭВ) в рассматриваемом примере будет равен 1,4·10, что соответствует уменьшению интенсивности ПЭВ на съемной части 3 образца в 2,4 раза. Такое изменение интенсивности ПЭВ может быть надежно зарегистрировано современными фотодетекторами и согласно (1) соответствует длине пробега ПЭВ L, равной 11,4 см. Причем время измерений определяется только временем регистрации сигналов фотодетектором 5 и временем, необходимым для перемещения этого детектора на расстояние l. Погрешность же измерений, обусловленная вариацией эффективности преобразования излучения источника в ПЭВ в процессе измерений, полностью исключена вследствие фиксации элемента преобразования 2 относительно неподвижной части 3 образца.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет сократить время и повысить точность измерений.
Источники информации
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.1099-1120.
4. Жижин Г.Н., Москалева M.A., Шомина E.B., 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.
5. Большаков М.М., Никитин А.К., Тищенко А.А., Самодуров Ю.И. Устройство для определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн металлическими пленками // Авторское свидетельство СССР №1684634. - Бюл. №38 от 15.10.1991 г.
6. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Устройство для исследования тонких слоев в терагерцовой области спектра // Заявка на изобретение №2007123801/28(025929) от 27.06.2007 г. - Решение о выдаче патента от 05 июня 2008 г.
7. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д., Завьялов В.В., Джонг Юнг Ук, Ли Банг Чол, Сеонг Хи Пак, Хек Джин Ча. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух" // Оптика и спектроскопия. - 2006. - Т.100. - №5. - с.798-802 (прототип).
8. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям // гл.3, с.88 в работе [1].
9. Nazarov М., Coutaz J.-L., Shkurinov A., Garet F. THz surface plasmon jump between two metal edges // Optics Communications, 2007, v.277, p.33-39.