Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны
APPARATUS FOR MEASURING THE PROPAGATION LENGTH OF AN INFRARED SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVE

Изобретение относится к бесконтактным методам исследования поверхности металлов и полупроводников посредством инфракрасного (ИК) и тера-герцового (ТГц) излучения, 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, 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, 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 и ТГц диапазонах.
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 фотоприемника [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 монохроматических ПЭВ ИК диапазона, содержащее источник излучения, направляющий ПЭВ 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 поверхностью образца неподвижный элемент преобразования излучения в ПЭВ, приемник излучения, размещенный в плоскости падения у края второй части, а также - измерительный прибор, подключенный к приемнику; причем, обе части образца и приемник размещены на подвижной платформе, способной перемещаться параллельно направляющей ПЭВ поверхности первой части [3]. Основными недостатками такого устройства является низкая точность измерений, обусловленная вариациями величины зазора между элементом преобразования и поверхностью первой части образца при перемещении платформы, а также - низкая эффективность преобразования излучения источника в ПЭВ и большие их потери на цилиндрической части образца.
Известно устройство для измерения длины распространения ИК ПЭВ, содержащее источник р-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 [4]. Основными недостатками известного устройства являются избыточное число зеркал, отражающих пучок ПЭВ в процессе измерений, что приводит не только к высокой стоимости устройства и сложности его юстировки, но и к понижению точности измерений, вследствие понижения соотношения сигнал/шум из-за паразитных объемных волн, порождаемых при взаимодействии ПЭВ с большим числом зеркал.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для измерения длины распространения ИК ПЭВ, содержащее источник р-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, разделяющий элементы преобразования непрозрачный экран, подвижную платформу, способную перемещаться параллельно этой грани вдоль трека ПЭВ, размещенное на платформе уголковое зеркало, ориентированное перпендикулярно к волноведущей грани, примыкающее к ней своими симметричными относительно плоскости падения отражающими поверхностями, фотоприемник и подключенный к нему измерительный прибор [5]. Основными недостатками известного устройства являются сравнительно большое число содержащихся в нем элементов, необходимость прецизионной юстировки уголкового зеркала до начала измерений, а главное - низкое соотношение сигнал/шум из-за засветок приемника паразитным излучением, вследствие размещения приемника и источника излучения в одной и той же плоскости.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является сокращение числа входящих в состав устройства элементов, упрощение процедуры измерений и повышение их соотношения сигнал/шум.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), содержащее источник р-поляризованного монохроматического излучения, твердотельный плоскогранный образец с направляющей волну гранью, элемент преобразования излучения в ПЭВ, элемент преобразования ПЭВ в объемную волну, подвижную платформу, способную перемещаться параллельно этой грани вдоль трека ПЭВ, размещенное на платформе зеркало, ориентированное перпендикулярно к волноведущей грани и примыкающее к ней своей отражающей поверхностью, фотоприемник и подключенный к нему измерительный прибор, дополнительно содержит делитель пучка ПЭВ, выполненный в виде частично прозрачной плоскопараллельной пластинки, ориентированной перпендикулярно к грани образца и под углом 45° к плоскости падения излучения, зеркало выбрано плоским и ориентированным перпендикулярно к плоскости падения, а фотоприемник размещен у кромки грани в плоскости перпендикулярной плоскости падения.
Сокращение числа входящих в состав устройства элементов достигается путем использования плоского зеркала вместо уголкового, ребра волноведущей грани образца - в качестве элемента преобразования ПЭВ в объемное излучение [6], исключения из состава устройства экрана, разделяющего входной и выходной элементы преобразования излучения.
Упрощение процедуры измерений достигается в результате исключения из нее процесса юстировки уголкового зеркала относительно других элементов устройства.
Повышение соотношения сигнал/шум в ходе измерений обеспечивается размещением источника и приемника излучения во взаимно перпендикулярных плоскостях, что способствует значительному понижению уровня засветок приемника паразитным излучением.
На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства (вид сверху), где 1 - источник р-поляризованного коллимированного монохроматического излучения, 2 - элемент преобразования излучения в ПЭВ; 3 - плоская прямоугольная грань образца, сопряженная с элементом 2 и способная направлять ПЭВ; 4 - делитель пучка ПЭВ, выполненный в виде плоскопараллельной частично прозрачной пластинки; 5 - плоское зеркало, отражающая поверхность которого перпендикулярна плоскости падения излучения и примыкает к грани 3; 6 - платформа, содержащая зеркало 5 и способная перемещаться параллельно грани 3 вдоль трека ПЭВ; 7 - фотоприемник; 8 - электроизмерительный прибор, подключенный к приемнику 7.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на элемент 2 и с некоторой эффективностью преобразуется в ПЭВ, направляемую гранью 3 образца. Достигнув делителя 4, пучок ПЭВ частично проникает через него и продолжает распространяться по линии пересечения плоскости падения излучения и грани 3. В результате взаимодействия с зеркалом 5, установленного на платформе 6, пучок ПЭВ изменяет направление своего распространения на обратное и возвращается на делитель 4. Частично отразившись от него, пучок выходит из плоскости падения излучения в ортогональном к ней направлении и набегает на ребро грани 3, смежное с ребром, сопряженным с элементом 2. В результате дифракции на ребре, пучок ПЭВ преобразуется в объемную волну [6], детектируемую приемником 7. Величина электрического сигнала, генерируемого приемником 7 и регистрируемого прибором 8, пропорциональна интенсивности про дифрагировавшей ПЭВ. Изменив с помощью платформы 6 расстояние между зеркалом 5 и делителем 4, вновь регистрируют интенсивность ПЭВ, прошедшей в этот раз иное расстояние по грани 3. Тогда длину распространения L ПЭВ можно рассчитать по формуле [1]:
1
2
где  - изменение расстояния между зеркалом 5 и делителем 4; I и I - 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 последующее усреднение их результатов способствуют повышению точности определения L.
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность измерения с его помощью длины распространения L ПЭВ, генерируемой излучением с λ=130 мкм на поверхности напыленного золота, содержащей слой сульфида цинка толщиной 0.5 мкм. Известно, что в этом случае L≈280 мм [7]. В качестве делителя 4 используем полиимидную каптоновую пленку толщиной 125 мкм, коэффициент отражения ПЭВ которой равен 0.3, а коэффициент пропускания - 0.5 [8]. Как и в примере, рассмотренном в прототипе, при шаге смещения зеркала 5 равном 10 мкм и максимальном изменении расстояния от этого зеркала до делителя 4 равном 70 мм, число измерений интенсивности ПЭВ равно 7000. Это обеспечивает погрешность определения L не превышающую ее значение в устройстве-прототипе.
Таким образом, применение заявляемого устройства позволяет реализовать все означенные выше преимущества (сокращение числа элементов устройства, упрощение процедуры измерений и повышение их соотношения сигнал/шум) по сравнению с устройством-прототипом 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., Москалева 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. Никитин А.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.
4. 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.
5. Никитин А.К., Князев Б.А., Герасимов В.В. Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны // Заявка №2018109125 от 14.03.2018 г. Решение о выдаче патента от 09.01.2019 г. (прототип)
6. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov LA., Nikitin A.K. et al. 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.
7. 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.
8. 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/l/012040)