УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИНФРАКРАСНОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
DEVICE FOR MEASURING THE LENGTH OF INFRARED SURFACE OF THE ELECTROMAGNETIC WAVE

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 применяют, главным образом, абсорбционную ПЭВ-спектроскопию, в которой измеряемой величиной является длина распространения ПЭВ L (расстояние вдоль трека, на котором интенсивность поля ПЭВ уменьшается в e≈2.718 раз), достигающая в этом диапазоне 1000λ (где λ - длина волны излучения, возбуждающего ПЭВ), 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 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 ИК ПЭВ, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец, состоящий из двух частей, сопряженных плоскими поверхностями, 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 поверхностью и ребром, перпендикулярным треку, размещенный в окружающей среде над поверхностью элемент преобразования излучения в ПЭВ, способный перемещаться вдоль трека, приемник излучения, зафиксированный относительно образца и размещенный в плоскости падения на уровне направляющей поверхности, 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, основание которого сопряжено с торцом первой части и ориентировано перпендикулярно треку, размещенный в окружающей среде над 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 направляющей 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 ИК ПЭВ, содержащее источник 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 и примыкающая к грани образца, имеет протяженность линии пересечения с плоскостью падения меньше длины распространения ПЭВ, перемещаемую параллельно поверхности грани платформу, установленный на платформе и отделенный воздушным зазором от образца зеркальный элемент преобразования ПЭВ в объемное излучение, фокусирующий объектив, фотоприемник и подключенный к нему измерительный прибор [6]. Основными недостатками известного устройства являются низкое соотношение сигнал/шум, обусловленное наличием в детектируемом пучке паразитных объемных волн, излучаемых с трека при рассеянии ПЭВ на неоднородностях поверхности, а также плохая воспроизводимость результатов измерений вследствие изменения величины зазора между зеркальным элементом преобразования и гранью образца в процессе перемещения платформы.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение соотношения сигнал/шум и воспроизводимости результатов измерений.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения длины распространения ИК ПЭВ, содержащее источник 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, дополнительно содержит регулируемую оптическую 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.
Повышение соотношения сигнал/шум достигается вследствие использования в качестве элемента преобразования ПЭВ в объемную волну не плоского зеркала (отражающего на детектор и паразитные объемные волны), а цилиндрического сегмента со способной направлять ПЭВ выпуклой поверхностью, которая надежно экранирует приемник излучения от паразитных приповерхностных объемных волн.
Повышение воспроизводимости результатов измерений обеспечивается неподвижностью обоих элементов преобразования в процессе выполнения измерений, что становится возможным в случае изменения расстояния (длины пробега), проходимого ПЭВ, путем изменения размера линии задержки, размещенной на пути распространения ПЭВ; при этом проблема сохранения величины зазора устраняется, поскольку подвижная пара зеркал линии задержки примыкает непосредственно к грани образца, направляющей ПЭВ.
На Фиг. 1 приведены две проекции схемы заявляемого устройства (а -ид сбоку; б - 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 и дуга которой в плоскости падения короче длины распространения ПЭВ; 4 - образец, плоская грань которого способна направлять ПЭВ; 5 - регулируемая оптическая линия задержки; 6 - неподвижное зеркало линии 5; 7, 8 - подвижные зеркала линии 5; 9 - второе неподвижное зеркало линии 5; 10 - элемент преобразования ПЭВ в объемное излучение (идентичен элементу 3); 11 - фотоприемник; 12 - электроизмерительный прибор; 13 - платформа, перемещаемая параллельно поверхности грани образца 4 вдоль оси симметрии линии 5.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на зеркало 2, которое фокусирует излучение на ребро элемента преобразования 3, имеющего радиус кривизны не менее 100⋅λ, что обеспечивает неизлучающий характер ПЭВ на искривленной поверхности. Излучение дифрагирует на ребре и с некоторой эффективностью преобразуется в ПЭВ, направляемую выпуклой поверхностью элемента 3. Достигнув второго ребра выпуклой поверхности, ПЭВ переходит на плоскую грань образца 4 и распространяется по ней с некоторым затуханием, обусловленным джоулевыми потерями в материале образца. Вследствие потерь интенсивность ПЭВ уменьшается вдоль трека по экспоненциальному закону, характеризующему длину распространения L волны. ПЭВ, дойдя до размещенной на треке регулируемой линии задержки 5, последовательно отражается от четырех ее зеркал (6, 7, 8, 9) и переходит на выпуклую поверхность элемента преобразования 10 ПЭВ в объемную волну. Дифрагируя на его свободном ребре, ПЭВ преобразуются в объемную волну, поступающую на входное окно приемника 11, сопряженного с измерительным прибором 12. Показания прибора 12 пропорциональны интенсивности детектируемой объемной волны, а следовательно, и интенсивности ПЭВ I на свободном ребре элемента 10. Изменив расстояние между парой неподвижных зеркал (6 и 9) и парой подвижных зеркал (7 и 8) линии 5 с помощью платформы 13, на которой укреплены зеркала 7 и 8, вновь регистрируют интенсивность ПЭВ, прошедшей в этот раз иное расстояние по образцу 4. Тогда длина распространения ПЭВ L может быть рассчитана по формуле [1]:
1
2
где |Δx| - изменение расстояния между парами зеркал линии 5; I и I - сигналы, регистрируемые прибором 12 до и после изменения длины линии 5. Выполнив измерения и расчеты значений L для большого числа расстояний x, пробегаемых ПЭВ, находят среднее значение L. Многократность измерений и усреднение их результатов способствуют повышению точности определения L.
Ключевым моментом, позволяющим повысить воспроизводимость результатов измерений при использовании заявляемого устройства, является неподвижность обоих элементов преобразования (3 и 10) в процессе выполнения измерений, поскольку изменение длины пробега ПЭВ обеспечивается изменением длины линии 5, подвижные зеркала (7 и 8) которой примыкают непосредственно к грани образца 4, направляющей ПЭВ.
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность измерения длины распространения ПЭВ L, генерируемой излучением с λ=130 мкм на поверхности золота, напыленного на плоскую поверхность размещенной в воздухе полированной стеклянной подложки и содержащего покровный слой сульфида цинка толщиной 0.5 мкм. Известно, что в этом случае L≈280 мм [6]. Пусть стеклянная подложка имеет размер 100×100 мм, что обеспечивает максимальную длину линии 5, равную ≈70 мм, и максимальную длину пробега ПЭВ, равную 240 мм (100 мм + 2×70 мм). Тогда при шаге изменения длины линии 5, равном 10 мкм, и минимальной ее длине, равной 20 мм, число измерений N интенсивности ПЭВ будет равно 5000, что гарантирует малую статистическую погрешность определения величины L. С другой стороны, экранирование приемника 11 от паразитных засветок выпуклой поверхностью элемента 10 обеспечивает большое соотношение сигнал/шум, а неподвижность обоих элементов преобразования (3 и 10) в процессе многократных измерений - высокую воспроизводимость усредненного значения длины распространения ПЭВ.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет увеличить соотношение сигнал/шум в процессе измерений за счет экранирования приемника от паразитных засветок выпуклой поверхностью элемента преобразования ПЭВ в детектируемое приемником объемное излучение, а также повысить воспроизводимость результатов измерений вследствие обеспечения неподвижности обоих элементов преобразования за счет изменения длины пробега ПЭВ путем изменения длины размещенной на треке ПЭВ линии задержки, зеркала которой примыкают к поверхности образца.
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. 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. 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.А., Nikitin А.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, No. 17, 171912.
5. Никитин A.K., 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. 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. (прототип)