Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона
METHOD OF DETERMINING REFRACTION INDICATOR OF MONOCHROMATIC SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVE OF INFRARED RANGE

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 (Welford K. Surface plasmon-polaritons and their use // Optical and Quantum Electronics, 1991, v. 23, p. 1-27) [1].
Известен способ определения показателя преломления ПЭВ ИК области спектра, включающий формирование интерферограммы в результате сложения двух производных ПЭВ, полученных путем разделения исходной и прошедших по образцу различные расстояния, регистрацию интерферограммы в плоскости поверхности образца, расчет показателя преломления по результатам измерения периода интерферограммы (Патент РФ на изобретение №2372591) [2].
Основной недостаток способа - низкая точность определения показателя преломления, что обусловлено сравнимостью периода интерферограммы с размером чувствительного элемента (пикселя) линейки фотоприемников, регистрирующей интерференционную картину.
Известен способ определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающий формирование и анализ интерферограммы, получаемой в результате сложения объемной волны, являющейся частью пучка излучения, генерирующего ПЭВ, и поля исследуемой ПЭВ при перемещении в плоскости падения вдоль трека ПЭВ прилегающей к образцу линейки фотоприемников, а также - расчет искомого показателя по результатам измерений (Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.K. Terahertz dispersive spectros-copy for thin-film study via surface-plasmon - bulk wave interference // Вестник НГУ (Физика), 2010, т. 5, №4, c. 158-161) [3].
Основной недостаток способа - низкая точность определения показателя преломления, вследствие наличия сильной засветки линейки приемников паразитными объемными волнами, исходящими от элемента преобразования излучения источника в ПЭВ и от неоднородностей поверхности на треке ПЭВ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающий генерацию волны на поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого фиксирована и наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию интерферограммы, получаемой при перемещении зеркала вдоль трека ПЭВ в результате сложения объемных волн, одна из которых является частью пучка излучения, генерирующего ПЭВ, а вторая порождена ПЭВ в результате ее взаимодействия с зеркалом, и - расчет искомого показателя преломления по результатам измерений (Патент РФ на изобретение №2470257). [4].
Основной недостаток способа - большая продолжительность измерений, что обусловлено необходимостью перемещения зеркала над образцом на макроскопическое расстояние (сантиметры) на котором ПЭВ приобретает набег фазы порядка 2π, а также - большая трудоемкость измерений, обусловленная необходимостью их выполнения во множестве точек трека.
Задача изобретения состоит в создании нового способа определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона (являющегося вещественной частью комплексного показателя преломления ПЭВ), техническим результатом которого является уменьшение продолжительности и трудоемкости измерений.
Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающем генерацию волны на поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений, согласно изобретению, регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца, зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения, и, плавно увеличивая от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется, а величину искомого показателя κ' рассчитывают по формуле: .
Уменьшение продолжительности измерений и снижение их трудоемкости в предлагаемом способе достигается в результате отказа от амплитудно-фазовых измерений и выполнении вместо них измерения угла наклона зеркала, при котором интенсивность отраженной зеркалом ПЭВ становится равной нулю (обнуляется).
Покажем, каким образом можно определить показатель преломления ПЭВ ИК-диапазона, не прибегая к трудоемким интерферометрическим измерениям (как это необходимо делать в способе-прототипе).
o
о
Известно, что вещественная часть k' волнового числа ПЭВ k больше волнового числа k=2π/λ плоской волны в воздухе (где λ - длина этой волны), что обуславливает неизлучающий характер ПЭВ [1]. Отношение k/k=κ называют комплексным показателем преломления ПЭВ, а его вещественную часть Re(κ)=κ' - просто, показателем преломления ПЭВ, так как частное от деления скорости света на κ' равно фазовой скорости ПЭВ. При размещении в поле ПЭВ какого-либо предмета (края экрана, дифракционной решетки на поверхности образца, ребра прозрачной призмы и т.п.), волновой вектор ПЭВ , в результате дифракции волны на этом предмете, получает отрицательное приращение . Если выполняется условие:
где Δk - модуль приращения , то ПЭВ преобразуется в плоскую волну, распространяющуюся в окружающей среде (обычно, воздухе) под некоторым углом к поверхности образца. Если таким предметом является плоское зеркало, отражающая грань которого примыкает к поверхности образца, перпендикулярна треку ПЭВ и отклонена (в сторону направления распространения ПЭВ) от нормали к поверхности на угол α, а величина Δk удовлетворяет равенству (1), то ПЭВ трансформируется в плоскую волну, распространяющуюся под углом 2α к поверхности в направлении, противоположном ходу ПЭВ (Рис. 1, где: 1 - образец; 2 - зеркало).
o
o
Однако, если условие (1) не выполнено, то ПЭВ сохраняет свою природу и, после взаимодействия с зеркалом, распространяется по образцу в обратную сторону. Размещение зеркала в плоскости, не содержащей нормали к плоскости падения излучения (т.е. поворот зеркала на угол β относительно трека ПЭВ, см. Рис. 2б), приводит только к изменению направления распространения отраженной ПЭВ в соответствии законом отражения плоской волны плоским зеркалом (Bell R.J., Goben С.А., Davarpanah М, Bhasin K., Begley D.L., Bauer A.C. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves // Applied Optics, 1975, v. 14 (6), p. 1322-1325.) [5]. Поскольку проекция волнового вектора ПЭВ  на направление распространения порожденной на зеркале плоской волны, при выполнении равенства (1), должна быть равна k то, согласно Рис. 1 и с учетом факта, что  [1], имеем k/k'=cos(2α). Отсюда получим расчетную формулу:
Таким образом, плавно увеличивая угол α наклона зеркала и регистрируя его значение α*, при котором интенсивность отраженной ПЭВ становится равной нулю, а падающая на зеркало ПЭВ преобразуется в плоскую волну, можно рассчитать по формуле (2) искомое значение показателя преломления κ' монохроматической ПЭВ.
Изобретение поясняется чертежами: на Рис. 1 представлена векторная диаграмма преобразования ПЭВ в плоскую волну при взаимодействии с плоским зеркалом, отражающая грань которого перпендикулярна плоскости падения и наклонена на угол α относительно нормали к поверхности образца; на Рис. 2 (а - вид сбоку; б - вид сверху) изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ; на Рис. 3 приведена расчетная зависимость функции (κ'-1) от угла α, позволяющая определить значение показателя преломления ПЭВ κ' по измеренному значению α*.
р
Заявляемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на Рис. 2, где цифрами обозначены: 1 - образец, имеющий две способные направлять ПЭВ плоские грани, сопряженные закругленным ребром 3 с радиусом R, удовлетворяющим условию 10λ<R<L (где L - длина распространения ПЭВ); 2 - плоское зеркало, снабженное двумя осями вращения, одна из которых совпадает с ребром отражающей грани зеркала, прилегающим ко второй (по ходу пучка ПЭВ) грани образца 1, а вторая совпадает с нормалью к этой грани, восстановленной из центра пучка ПЭВ на выше упомянутом ребре зеркала; 4 - источник -поляризованного монохроматического ИК излучения; 5 - элемент преобразования излучения источника 4 в ПЭВ; 6 - фотоприемник, размещенный на свободном ребре первой грани образца 1; 7 - измерительный прибор, подключенный к фотоприемнику 6.
Устройство работает, и способ осуществляется, следующим образом. Излучение источника 4, коллимированное в плоскости перпендикулярной плоскости падения, направляют на элемент 5, преобразующий объемную волну в параллельный пучок лучей ПЭВ на первой грани образца 1. Пройдя эту грань (содержащую элемент 5), ПЭВ преодолевает (с небольшими дополнительными, по сравнению с плоской поверхностью, радиационными потерями) закругленное ребро 3 и переходит на вторую грань образца 1. Пройдя некоторое расстояние по второй грани, ПЭВ взаимодействует с зеркалом 2, ребро которого, прилегающее к поверхности образца 1, отклонено от нормали к треку ПЭВ на угол β, что позволяет разнести треки поверхностных волн (падающей на зеркало 2 и отраженной от него) на угол 2β. В исходном состоянии зеркало 2 ориентировано перпендикулярно к поверхности образца 1, поэтому отраженное излучение существует в форме ПЭВ, которая достигает ребра 3, переходит со второй на первую грань образца 1 и падает на входное отверстие приемника 6, порождая регистрируемый прибором 7 сигнал. Затем зеркало 2 отклоняют от нормали к поверхности второй грани образца 1, постепенно увеличивая угол α и контролируя при этом величину сигнала, регистрируемого прибором 7. При некотором значении α=α* достигается равенство (1) и падающая на зеркало ПЭВ преобразуется в плоскую волну, уходящую в окружающую среду под углом 2α*, что сопровождается обнулением интенсивности отраженной ПЭВ и сигнала на приборе 7. Искомое значение показателя преломления κ' либо рассчитывают по формуле (2), подставляя в нее измеренное значение угла α*, либо определяют его по предварительно построенному графику зависимости (κ'-1) от α, рассчитанному по формуле (2) и представленному на Рис. 3. Наличие у образца 1 двух сопряженных скругленным ребром 3 плоских граней объясняется необходимостью экранирования приемника 6 от паразитных засветок его объемными волнами, порождаемыми при дифракции излучения источника 1 на элементе 5.
-5
-5
В качестве примера применения заявляемого способа, рассмотрим возможность определения показателя преломления ПЭВ, генерируемой излучением с λ=50 мкм на размещенной в вакууме плоской поверхности. Пусть зеркало 2, отражающее ПЭВ, установлено на гониометре, имеющем инструментальную погрешность равную 10ʺ, что соответствует 5×10 радиан, а измеренное значение угла α*=1°30'00ʺ; тогда искомое значение κ', согласно графику на Рис. 3, равно 1.00137±5×10. При этом, для определения значения α* исследователю потребуется контролировать наличие сигнала с прибора 7, изменяя угол наклона α зеркала 2 не более 540 раз (частное от деления значения угла α* на погрешность гониометра, равную 10ʺ). Определение же величины κ' способом, взятом в качестве прототипа, при соблюдении прочих равных условий измерений потребует значительно больше времени и усилий, поскольку этот способ-прототип предусматривает, во-первых, два этапа измерений (вначале амплитудных, затем фазовых), и, во-вторых, - для его реализации, при одной и той же точности определения κ', необходимо будет оценить результат интерференции опорного и реперного пучков в 5000 положениях наклонного зеркала, перемещаемого вдоль трека ПЭВ с шагом 10 мкм на расстояние 50 мм, соответствующее изменению разности фаз пучков на 2π.
Таким образом, замена двухэтапной методики амплитудно-фазовых измерений на определение угла наклона зеркала, при котором интенсивность отраженной им ПЭВ обнуляется, позволяет значительно упростить процедуру измерений, уменьшить ее продолжительность и трудоемкость без понижения точности определения показателя преломления ПЭВ.
Источники информации
1. Welford K. Surface plasmon-polaritons and their use // Optical and Quantum Electronics, 1991, v. 23, p. 1-27.
2. Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин A.K., 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.
3. Gerasimov V.V., Knyazev В.A., Nikitin А.K. Terahertz dispersive spectros-copy for thin-film study via surface-plasmon - bulk wave interference // Вестник НГУ (Физика), 2010, т. 5, №4, c. 158-161.
4. Никитин A.K., Кирьянов А.П., Жижин Г.Н., Чудинова Г.К. Способ определения толщины однородного нанослоя в инфракрасном излучении // Патент РФ на изобретение №2470257. Бюл. №35 от 20.12.2012 г. (прототип)
5. Bell R.J., Goben С.А., Davarpanah М., Bhasin K., Begley D.L., Bauer A.C. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves // Applied Optics, 1975, v. 14 (6), p. 1322-1325.