СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПРОВОДЯЩИХ ТЕЛ В ОПТИЧЕСКОМ И ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА
METHOD FOR DETECTION OF DIELECTRIC PERMEABILITY OF CONDUCTING MEDIUMS IN OPTICAL AND INFRARED RANGE OF SPECTRUM

Изобретение относится к области оптики конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных проводящих тел.
Известен способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел, который включает разделение пучка падающего монохроматического излучения на реперный и измерительный пучки, а также возбуждение падающим излучением поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на поверхности образца, осуществляемые одновременно на краю непрозрачного экрана, размещенного в окружающей среде у поверхности образца; последовательный пробег ПЭВ двух различных макроскопических расстояний; преобразование ПЭВ в объемную волну на краю образца; регистрацию распределения интенсивности излучения над поверхностью образца в области пересечения реперного и измерительного пучков при выбранных расстояниях пробега ПЭВ; расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по результатам измерений и диэлектрической проницаемости материала образца путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца [Алиева Е.В., Жижин Г.Н., Кузик Л.В., Яковлев В.А. Исследование кристаллов в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра методом спектроскопии поверхностных электромагнитных волн // Физика твердого тела, 1998, т.40, вып.2, с.213-216].
Недостатком способа является низкая точность определения диэлектрической проницаемости материала образца, обусловленная интерференционными явлениями.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра, основанный на исследовании характеристик поверхностной электромагнитной волны, возбуждаемой на поверхности образца падающим лазерным излучением [Жижин Г.Н., Никитин А.К., Рыжова Т.А. Способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра // Патент РФ на изобретение №22639238, МПК 7 G01R 27/26, G01N 21/21, 22.03.2004, Бюл. №31, 10.11.2005.].
Недостатком способа является сложность технической реализации и процедуры измерений, связанная с необходимостью использования интерференционной системы исследования параметров ПЭВ, несущей информацию о свойствах исследуемых тел.
Задачей изобретения является разработка нового способа определения диэлектрической проницаемости проводящих тел в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра на основе явления фотоэлектрического эффекта при воздействии на поверхность проводящих тел импульсами монохроматического лазерного излучения, позволяющего упростить процедуру измерений.
2
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра предлагаемый способ определения диэлектрической проницаемости проводящих тел в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра включает воздействие импульсом монохроматического лазерного излучения с p-поляризацией на плоскую поверхность образца, регистрацию фотоэлектрического сигнала на поверхности образца и угла падения α пучка лазерного излучения, соответствующего возникновению фотоэлектрического сигнала максимальной величины, расчет диэлектрической проницаемости по формуле ε=2sinα.
Техническим результатом изобретения является упрощение процедуры измерений, которая включает измерение величины фотоэлектрического сигнала и угла падения пучка лазерного излучения на поверхность образца, при этом поверхность образцов может иметь размеры, составляющие 5-10 мм.
На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 1 - источник p-поляризованного монохроматического лазерного излучения, 2 - образец с плоской поверхностью, 3 - электроды на поверхности образца, 4 - осциллограф.
Устройство работает и способ осуществляется следующим образом. Пучок импульсного p-поляризованного монохроматического лазерного излучения от источника 1 направляют под углом α на поверхность образца 2. При этом на электродах 3 возникает импульсный фотоэлектрический сигнал, который регистрируется осциллографом 4. Путем изменения угла падения пучка лазерного излучения добиваются получения максимального значения фотоэлектрического сигнала, соответствующий которому угол падения принимают в расчет диэлектрической проницаемости образца.
Возникновение фотоэлектрического сигнала на поверхности проводящих тел при воздействии импульсами лазера обусловлено взаимодействием электронов в скин-слое образца с фотонами в пучке лазера, в результате которого в образце возникает поверхностный ток, а на участке поверхности пленки - ЭДС [Александров В.А. Скин-эффект в проводящих пленках при лазерном воздействии // Альтернативная энергетика и экология, 2007, №11, C.110-113].
e
Так, при взаимодействии электрона в скин-слое с фотоном - обратном рассеянии фотона - импульс электрона отдачи составит p=2ħω/c и электрон приобретает дополнительную скорость в направлении вдоль поверхности образца
e
где m - масса электрона, α - угол падения пучка лазера на поверхность образца.
Движущиеся электроны создают поверхностный ток, плотность которого
e
где е - заряд электрона, n - количество взаимодействующих с фотонами электронов в единице объема скин-слоя образца.
d
b
Объем V скин-слоя, в котором происходит взаимодействие фотонов с электронами, равен произведению глубины d скин-слоя и площади облучаемой пучком лазера поверхности образца, определяемой сечением S пучка и углом его падения α:
Импульс лазера обычно имеет огибающую и поэтому интенсивность I фотонов пучке такого импульса зависит от времени I=I(t). При наносекундных длительностях импульса лазера количество фотонов в единице объема скин-слоя образца можно выразить как
e
e
f
e
Учитывая коэффициент электрон-фотонного взаимодействия материала образца κ=(n/n)/сτ и подвижность электронов µ=τe/m, где τ - время между их столкновениями, выражение (2) для плотности продольного тока в скин-слое образца можно привести к виду
x
x
x
x
Возникновение переменного ЭДС U (t) на участке Δх облучаемой импульсом лазером части поверхности образца обусловлено продольным током j(t) в скин-слое образца и проводимостью σ этого участка U(t)=j(t)Δх/σ, поэтому зависимость сигнала фотоэлектрического эффекта от угла α получается аналогичной (5):
1
1
Последнее выражение указывает, что максимальное значение фотоэлектрического сигнала на поверхности образца получается при воздействии пучком лазера, когда угол падения равен α=±π/4. Это выражение получено без учета преломления пучка лазера материалом образца и в качестве угла взаимодействия пучка лазера с электронами проводимости в скин-слое для реального образца необходимо принять угол преломления α пучка лазера материалом образца. Тогда максимальное значение фотоэлектрического сигнала при воздействии импульсом лазера на поверхность образца должно соответствовать случаю достижения угла преломления значения α=±π/4.
Диэлектрическая проницаемость ε проводящего тела определяется из закона преломления
1
2
2
Угол падения α определяется из эксперимента, при котором регистрируется максимальное значение фотоэлектрического сигнала на электродах, размещенных на поверхности образца. Так как при этом угол преломления α=π/4 и sinπ/4=1/2, то ε=2sinα.
2
Пример. Экспериментально установлено, что воздействие импульсами лазера на наноуглеродные пленки толщиной 3-4 мкм, представляющие собой пленку из кристаллитов графита, на длине волны λ=532 нм (оптический диапазон частот) и на длине λ=1064 нм (инфракрасный диапазон частот) приводит к возникновению на этих пленках фотоэлектрического сигнала, максимальное значение которого соответствует углу падения пучка лазера α=50° [Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Свирко Ю.П. Наблюдение эффекта оптического выпрямления в наноуглеродных пленках // Письма в ЖТФ, 2004, т.30, вып.17, с.88-94]. Так как графит по проводимости является полуметаллом и обладает электронной проводимостью, то возникновение фотоэлектрического сигнала на наноуглеродной пленке при воздействии импульсами лазера обусловлено фотон-электронным взаимодействием, известным как эффект увлечения электронов светом [Берегулин Е.В., Валов П.М., Рывкин С.М. и др. Эффект увлечения электронов светом в полуметаллах // Письма в ЖЭТФ, 1977, т.25, вып.2, с.113-116]. Тогда в соответствии с предлагаемым способом диэлектрическая проницаемость графита в оптическом и инфракрасном диапазоне частот составит ε=2sin50° или ε=1.17.