СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ДЛИНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИНФРАКРАСНЫХ МОНОХРОМАТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ПО ПЛОСКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF INCREASING PROPAGATION LENGTH OF INFRARED MONOCHROMATIC SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVES ON FLAT METAL SURFACE

Изобретение относится к области информационно-коммуникационных технологий, в которых сбор, обработка и перенос информации осуществляется инфракрасными (ИК) поверхностными электромагнитными волнами (ПЭВ), в частности поверхностными плазмонами, направляемыми плоской металлической поверхностью, и может найти применение в оптических каналах связи, интерферометрах, спектрометрах и других устройствах сбора, обработки и передачи информации с использованием ИК ПЭВ.
3
Основными областями применения ИК ПЭВ являются оптические методы исследования поверхности твердого тела (спектроскопия, микроскопия, эллипсометрия, рефрактометрия), а также - устройства сенсорного и информационно-коммуникационного назначения [Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer Science + Business Media LLC, 2007. p. 89-106]. Основным преимуществом применения ИК поверхностных плазмонов в каналах связи и устройствах обработки информации является их большая фазовая скорость, величина которой лишь немного меньше скорости света в окружающей среде. Более широкому распространению плазмонных линий передачи информации препятствует тот факт, что длина распространения ИК ПЭВ по реальной металлической поверхности, хотя и достигает 10 длин волн (к), все же оказывается примерно на два порядка меньше значения, рассчитанного с использованием модели Друде для диэлектрической проницаемости металла [Ordal М.А., Long L.L., Bell R.J., et al. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared // Applied Optics, 1985, v.22, Is.7, p. 1099-1120]. Основная причина этого явления - радиационные потери ПЭВ на неоднородностях (шероховатостях и инородных включениях) реальной поверхности металла [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., 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]. Заявляемое изобретение описывает способ понижения таких потерь путем нанесения на поверхность слоя непоглощающего диэлектрика субволновой толщины.
Известен способ компенсации потерь монохроматических ИК ПЭВ при их распространении по плоской металлической поверхности, включающий нанесение на поверхность диэлектрического слоя толщиной порядка λ и создание в материале слоя инверсной населенности энергетических уровней частиц вещества [Zhang X., Liu Н., and Zhong Y. Compensation of propagation loss of surface plasmon polaritons with a finite-thickness dielectric gain layer // J. Optics, 2012, v. 14, 125003]. Основным недостатком способа является необходимость создания и постоянного поддержания инверсной населенности в материале слоя, что предполагает наличие устройства накачки и дополнительных энергетических затрат в процессе реализации способа.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ увеличения длины распространения монохроматических ИК ПЭВ по поверхности плоской прозрачной металлической пленки, включающий нанесение на поверхность пленки слоя непоглощающего диэлектрика с толщиной, превышающей глубину проникновения поля ПЭВ в материал слоя, и имеющий показатель преломления, близкий к показателю преломления подложки [Vaicikauskas V. Fourier transform infrared analysis of long-range surface polaritons excited by the end-fire method // Thin Solid Films, 2005, v. 493, р. 288-292]. Основным недостатком известного способа является ограниченность класса объектов, к которым применим способ только прозрачными металлическими пленками, в то время как в плазмонных каналах связи и информационных устройствах ИК ПЭВ часто направляются поверхностью непрозрачных металлических тел.
Технический результат изобретения является увеличение длины распространения монохроматических ИК ПЭВ по реальной плоской металлической поверхности, а также - на защиту ее от внешних воздействий.
o
max
o
max
Технический результат достигается тем, что в известном способе увеличения длины распространения монохроматических ИК ПЭВ по плоской металлической поверхности, включающем нанесение на поверхность слоя непоглощающего диэлектрика, до нанесения слоя определяют направление максимума диаграммы направленности объемных электромагнитных волн (ОЭВ), излучаемых ПЭВ с их трека, а толщину слоя и диэлектрическую проницаемость его материала выбирают такими, чтобы наличие слоя обеспечивало отрицательное приращение действительной части модуля волнового вектора ПЭВ на величину Δk′=k·[1-cos(φ)], где k=2π/λ - волновое число ОЭВ в окружающей поверхность среде; λ - длина волны излучения в окружающей среде; φ - угол отклонения максимума диаграммы направленности от плоскости поверхности.
Теоретической основой заявляемого изобретения являются следующие факты:
ПЭВ
1) наличие на направляющей ПЭВ поверхности неоднородностей в виде шероховатостей и вариаций диэлектрической проницаемости обуславливает «размытие» (как правило, гауссовской формы) модуля волнового вектора ПЭВ  (где i - мнимая единица) относительно его значения  для идеально плоской и однородной границы «металл-диэлектрик» [Raether Н. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings // Springer Tracts in Modern Physics, 1988, v. 111, Springer-Verlag, Berlin. - 530 р.]. Отрицательное приращение Δk=Δk′+i·Δk″ (зависящее от характеристик неоднородностей) к модулю вектора k обуславливает частичное преобразование ПЭВ в объемное излучение, поскольку становится возможным выполнение неравенства , являющегося условием преобразования ПЭВ в ОЭВ, излучаемые с трека ПЭВ в окружающую среду. Совокупность таких ОЭВ и представляет собой радиационные потери ПЭВ, дополнительные к их тепловым потерям в металле.
max
ox
ox
o
max
2) Поскольку излучение ОЭВ происходит преимущественно под углом φ, то для тангенциальной составляющей k модуля волнового вектора таких ОЭВ справедливо соотношение: k=k·cos(φ). Тогда, в силу закона сохранения тангенциальной составляющей волнового вектора, получим:
o
<mrow><msubsup><mi>k</mi><mrow><mi>o</mi><mi>П</mi><mi>Э</mi><mi>В</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>≈</mo><msub><mi>k</mi><mi>o</mi></msub></mrow>
где Δk′ - действительная часть приращения Δk=Δk′+i·Δk″, сообщаемого неоднородностями поверхности волновому вектору ПЭВ. Учитывая тот факт, что в ИК диапазоне величина  превышает k всего на сотые доли процента, можно утверждать, что
. Тогда равенство (1) примет вид:
Откуда и получим формулу для оценки величины Δk′:
3) Нанесение на поверхность, направляющую ПЭВ, слоя диэлектрика приводит к увеличению модуля волнового вектора ПЭВ  на величину , пропорциональную толщине слоя [Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д. и др. Поглощение поверхностных плазмонов ТГц диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух" // Оптика и спектроскопия, 2006, Т. 100, №5, с. 798-802]. Увеличение  на приращение  приводит к тому, что условие преобразования ПЭВ в ОЭВ  при наличии слоя на поверхности выполняется для значительно меньшего числа гармонических составляющих фурье-спектра неоднородностей, чем в отсутствие слоя. Это и обеспечивает достижение основной цели изобретения - уменьшение радиационных потерь и увеличение длины распространения ИК ПЭВ. Кроме того, наличие слоя на металлической поверхности, направляющей ПЭВ, обеспечит ее защиту от внешних воздействий.
Изобретение поясняется чертежами: на рис. 1 представлена схема устройства, реализующего способ; на рис. 2 - расчетная зависимость приращения действительной части показателя преломления ПЭВ Δκ′ от толщины d слоя ZnS для ПЭВ с λ=130 мкм в структуре "золото - слой ZnS - воздух".
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на рис. 1, где цифрами обозначены: 1 - источник монохроматического ИК излучения; 2 - образец, размещенный в окружающей среде 3 и имеющий плоскую металлическую грань, способную направлять ПЭВ; 4 - плоское поворотное зеркало; 5 - цилиндрическое зеркало; 6 - элемент преобразования излучения источника 1 в ПЭВ, имеющий цилиндрическую грань, способную направлять ПЭВ и протяженность которой в плоскости падения излучения меньше длины распространения ПЭВ по образцу 2; 7 - фотоприемник; 8 - плоский экран, размещенный в окружающей среде 3 и ориентированный перпендикулярно треку ПЭВ, причем нижний край экрана удален от грани образца 2 на расстояние не меньше глубины проникновения поля ПЭВ в окружающую среду 3; 9 - оптическая скамья, имеющая ось вращения, принадлежащую плоскости грани образца 2 и пересекающую трек ПЭВ под прямым углом; 10 - фокусирующий объектив, установленный на скамье 9 и в фокусе которого размещен приемник 7, также зафиксированный на скамье 9; 11 - регулируемая диафрагма, размещенная перед входным отверстием приемника 7; 12 - гальванометр, подключенный к приемнику 7; 13 - устройство накопления и обработки информации.
max
Способ реализуется следующим образом. Вначале излучением источника 1 генерируют ПЭВ на плоской металлической грани образца 2, граничащей с окружающей средой 3. Для этого зеркалом 4 излучение направляют на цилиндрическое зеркало 5, фокусирующее его на ребро цилиндрической грани элемента 6. В результате дифракции излучения на ребре оно с некоторой эффективностью преобразуется в ПЭВ [Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin A. A. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8 (7), р. 386-388]. Порожденная таким образом ПЭВ распространяется по цилиндрической поверхности элемента 6 и переходит с нее на плоскую грань образца 2, примыкающую ко второму ребру цилиндрической грани. Отметим, что элемент 6 введен в схему устройства для экранирования фотоприемника 7 от паразитных ОЭВ, возникающих при преобразовании излучения источника 1 в ПЭВ методом дифракции. Аналогичную функцию выполняет и экран 8, защищающий приемник 7 от паразитных ОЭВ, возникающих в результате дифракции ПЭВ на стыке элемента 6 и образца 2. Распространяясь по плоской грани образца 2, ПЭВ дифрагируют на неоднородностях ее поверхности и частично излучаются в виде ОЭВ в окружающую среду 3; причем диаграмма направленности этих ОЭВ имеет максимум, отстоящий от поверхности грани на угол φ [Князев Б.А., Никитин А.К., Жижин Г.Н. Способ измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плаз-монов по реальной поверхности // Патент РФ на изобретение №2512659, Бюл. №1 от 10.01.2014 г.]. Достигнув противоположного ребра грани, ПЭВ дифрагируют на нем и преобразуются в ОЭВ, распространяющиеся в окружающей среде 3 [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., 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].
max
На первом этапе реализации способа определяют направление максимума диаграммы направленности ОЭВ излучаемых ПЭВ с трека. Для этого оптическую скамью 9 с установленными на ней объективом 10 и фотоприемником 7, снабженным регулируемой диафрагмой 11, размещают таким образом, чтобы ось ее вращения проходила через центр участка трека ПЭВ, ограниченного экраном 8 и дальним (по ходу ПЭВ) ребром плоской грани образца 2. Плавно изменяя угол φ между оптической осью объектива 10 и плоской гранью образца 2, измеряют гальванометром 12 величину сигнала I с приемника 7. При этом, для обеспечения постоянства размера Δl наблюдаемого участка трека, размер D диафрагмы 11 изменяют в зависимости от угла φ в соответствии с формулой D=Δl·sin(φ). По совокупности соответствующих значений φ и I устройство 13 определяет направление φ максимума диаграммы направленности ОЭВ, излучаемых ПЭВ с трека.
max
слоя
1
2
На втором этапе реализации способа по формуле (3), с использованием измеренного φ рассчитывают значение Δk′. Далее определяют толщину d диэлектрического слоя при заданной диэлектрической проницаемости εего материала. Для этого решают (относительно d) дисперсионное уравнение ПЭВ для трехслойной структуры [Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer Science + Business Media LLC, 2007. p. 89-106; Жижин Г.Н., Москалева M.A., Шомина E.B., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям // Гл. 3 (с. 70-104) в сборнике «Поверхностные поляритоны. Поверхностные электромагнитные волны на границах сред» под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985], подставив в него значения Δk′, λ и диэлектрических проницаемостей металла ε и окружающей среды ε.
слоя
0
max
max
На третьем этапе реализации способа на плоскую грань образца 2 наносят слой диэлектрика с ε толщиной d, соответствующей φ. Наличие такого слоя на поверхности грани обеспечивает понижение радиационных потерь ПЭВ, а значит и увеличение длины распространения ПЭВ, примерно в два раза, по сравнению с образцом 2, не содержащим слоя диэлектрика. Такая оценка величины уменьшения радиационных потерь основывается на том факте, что в ИК диапазоне доля энергии поля ПЭВ, переносимая в металле, составляет сотые доли процента [Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям // Гл. 3 (с. 70-104) в сборнике «Поверхностные поляритоны. Поверхностные электромагнитные волны на границах сред» под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985]; с другой же стороны, реальная длина распространения ПЭВ на два порядка меньше рассчитанной для идеальной (не содержащей неоднородностей) металлической поверхности. Следовательно, потери ПЭВ на реальной поверхности имеют, в основном, радиационный характер. Поэтому отсечка нанесением слоя половины радиационных ОВ (в силу гауссовской формы «размытия» значения волнового вектора ПЭВ на неидеальной поверхности металла и связи значения Δk′ с углом φ), обусловленных неоднородностями поверхности, должна приводить к уменьшению радиационных потерь ПЭВ в два раза и, соответственно, к двукратному увеличению длины их распространения.
слоя
o
max
max
o
τ
p
o
-1
-3
-1
-1
-3
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность увеличения длины распространения ПЭВ с λ=130 мкм, направляемых плоской поверхностью золота, находящейся в воздухе с показателем преломления , путем нанесения на нее слоя сульфида цинка (ZnS) с ε=8.70. Известно [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.К., Zhizhin G.N. // A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, 171912], что показатель преломления  таких ПЭВ на не содержащей слоя плоской поверхности напыленного золота равен κ=1.000657+i·0.00027, что соответствует их длине распространения  мм. Пусть максимум диаграммы направленности ОЭВ, излучаемых ПЭВ с их трека, направлен под углом φ=5° к поверхности золота. Это означает, что неоднородности поверхности сообщают волновому вектору ПЭВ отрицательное приращение Δk′, которое, согласно (3), для данных λ и φ равно 1.84 см, что соответствует приращению Δκ′ к показателю преломления ПЭВ, равному Δκ′=Δk′/k=3.81·10. Определим толщину слоя ZnS, которую необходимо нанести на поверхность золота, чтобы увеличить L примерно в два раза. Для этого, используя дисперсионное уравнение ПЭВ для трехслойной структуры [Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям // Гл. 3 (с. 70-104) в сборнике «Поверхностные поляритоны. Поверхностные электромагнитные волны на границах сред» под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985], рассчитаем зависимость показателя преломления ПЭВ к в структуре "золото - слой ZnS - воздух" от толщины d слоя. Диэлектрическую проницаемость золота рассчитаем по модели Друде, подставляя в нее столкновительную частоту ν=215 см и плазменную частоту ν=72800 см [Ordal М.А., Long L.L., Bell R.J., et al. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared // Applied Optics, 1985, v. 22, Is. 7, p. 1099-1120]. На рис. 2 приведен график расчетной зависимости Δκ′ (d); из нее видно, что значение Δκ′=3.81·10 достигается при d=d≈1.96 мкм. При наличии такого слоя ZnS на поверхности золота длина распространения ПЭВ увеличится примерно в два раза и достигнет значения 77 мм. В то же время, такой слой ZnS надежно защищает золото от внешних (механических и химических) воздействий.
Рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность увеличения длины распространения монохроматических ИК ПЭВ за счет уменьшения их радиационных потерь путем нанесения на волноведущую поверхность слоя непоглощающего диэлектрика субволновой толщины, который одновременно выполняет и функцию протектора поверхности от внешних воздействий.
Применение заявляемого способа позволит более эффективно применять ИК ПЭВ в оптических линиях связи и сенсорных устройствах, а также - повысит надежность их функционирования и увеличит срок службы.