СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
METHOD OF DETEPMINING REFRACTION INDEX OF SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVES IN INFRARED RANGE

Изобретение относится к разделу инфракрасной (ИК) оптики конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных и контроля качества поверхности твердых тел, способных направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) [1], а также в оптической спектроскопии поверхности твердого тела и оптических сенсорных устройствах.
Известен способ определения комплексного показателя преломления ПЭВ κ=κ'+i·κ" (где i - мнимая единица) ИК-диапазона [2]. Способ включает разделение пучка падающего монохроматического излучения на реперный и измерительный пучки до его взаимодействия с образцом, возбуждение ПЭВ падающим излучением на плоской поверхности образца, преобразование ПЭВ, прошедшей макроскопическое расстояние, в объемную волну в пределах поверхности образца, раздельную регистрацию интенсивности излучения как в области пересечения пучков, так и после прохождения измерительным пучком в виде ПЭВ двух различных расстояний, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по результатам измерений. Основным недостатком способа является большая продолжительность измерений, связанная с необходимостью перемещения элемента преобразования объемной волны в поверхностную для проведения измерений при двух различных расстояниях, пробегаемых ПЭВ, которая составляет не менее десяти минут.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является интерферометрический способ определения комплексного показателя преломления ПЭВ в ИК-области спектра [3]. Способ включает формирование интерференционной картины (интерферограммы) в результате сложения двух когерентных объемных волн: опорной электромагнитной волны и волны, порожденной исходным пучком ПЭВ на крае образца, регистрацию интерферограммы при нескольких расстояниях пробегаемых ПЭВ по образцу, расчет показателя преломления ПЭВ κ по результатам измерений координат экстремумов интерферограммы и освещенности в них. Основными недостатками способа является низкая точность определения κ, не превышающая 1% для κ' и 10% для κ", что обусловлено сильной зависимостью интерференционной картины от формы и состояния края образца, а также большая продолжительность измерений, связанная с необходимостью выполнения измерений при различных расстояниях, пробега ПЭВ по образцу, которая составляет в среднем около получаса.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и сокращение времени измерений.
Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе определения показателя преломления ПЭВ ИК-области спектра, включающем формирование интерференционной картины (интерферограммы) в результате сложения опорной электромагнитной волны и волны, порожденной исходным пучком ПЭВ, регистрацию интерферограммы, расчет показателя преломления ПЭВ по результатам измерений периода интерферограммы и освещенности в ее экстремумах, опорную волну получают в виде нового пучка ПЭВ, образованного путем отделения части лучей от исходного пучка, волновые фронты пучков выбирают плоскими, интерферограмму формируют путем суперпозиции обоих пучков ПЭВ, а ее регистрацию осуществляют в плоскости, параллельной поверхности образца.
Повышение точности измерений в предлагаемом способе достигается в результате того, что анализируемую интерференционную картину формируют не объемные, а поверхностные волны. Вследствие этого из процесса измерений устраняют элементы с неизвестными характеристиками: край образца и край экрана. Сокращение же времени измерений предложенным способом является результатом их статичности, т.е. способ допускает выполнение измерений без каких-либо механических манипуляций, поскольку информация как о действительной, так и о мнимой части показателя преломления ПЭВ содержится в интерференционной картине, регистрируемой неподвижным фотоприемным устройством, и извлекается из нее путем математической обработки результатов измерений.
На фиг.1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 1 - исходный пучок ПЭВ, 2 - образец, направляющий ПЭВ, 3 - уголковое зеркало, расщепляющее пучок лучей ПЭВ на два новых когерентных пучка, 4 - зеркала, отражающие пучки ПЭВ в коротком плече интерферометра, 5 - зеркала, отражающие пучки ПЭВ в длинном плече интерферометра, 6 - второе уголковое зеркало, сбивающее оба пучка ПЭВ, 7 - линейка фотодетекторов, размещенная в плоскости поверхности образца 2, 8 - вычислительное устройство. Все зеркала установлены на поверхности образца 2 и ориентированы перпендикулярно ей.
На фиг.2 представлена расчетная интерференционная картина, а на фиг.3 - зависимость относительного изменения интенсивности в максимумах картины от номера m максимума для случая, рассмотренного ниже в примере, иллюстрирующем реализацию заявляемого способа.
Устройство работает, и способ осуществляется следующим образом. Исходный пучок лучей ПЭВ 1 шириной d, направляемый поверхностью образца 2, достигает первого уголкового зеркала 3, делящего его на два когерентных пучка ПЭВ, распространяющихся перпендикулярно треку исходного пучка ПЭВ 1 в противоположных направлениях. Новые пучки ПЭВ достигают зеркал 4 и 5, попарно расположенных на расстояниях а и b от плоскости падения, отражаются от них и падают на смежные грани уголкового зеркала 6, грани которого ориентированы таким образом, чтобы сечения отраженных от них пучков плоскостью, перпендикулярной треку исходного пучка ПЭВ 1, содержали линейку 7. Прошедшие по поверхности образца расстояния а и b когерентные пучки ПЭВ формируют интерференционную картину с периодом . Линейка 7 регистрирует картину, посылая электрические сигналы на вычислительное устройство 8. Устройство 8, используя эти сигналы и соответствующие им координаты элементов линейки 7, определяет величину  и освещенность в интерференционных экстремумах, а затем рассчитывает обе части комплексного показателя преломления ПЭВ.
Измерив период дифракционной картины  и полагая известными значения длины волны излучения λ и угла сбоя пучков α, можно рассчитать действительную часть показателя преломления ПЭВ по формуле:
Значение мнимой части показателя преломления ПЭВ κ" можно определить, решив следующее нелинейное уравнение относительно κ":
o
o
где I - интенсивность излучения в произвольной точке интерферограммы с координатой у; I - интенсивность излучения исходного пучка в центрах граней уголкового зеркала 3; k=2π/λ; U - расстояние между центрами пучков ПЭВ, отраженных плоскими зеркалами 4 и 5; L - расстояние от центров пучков ПЭВ, отраженных уголковым зеркалом 6, до плоскости регистрации интерферограммы; а - половина расстояния, проходимого пучком ПЭВ в первом плече интерферометра в направлении, перпендикулярном плоскости падения; b - половина расстояния, проходимого пучком ПЭВ во втором плече интерферометра в направлении, перпендикулярном плоскости падения.
-3
Для успешного функционирования устройства, реализующего заявляемый способ, интерферирующие поверхностные волны должны иметь плоский волновой фронт, что упрощает процедуру обработки результатов измерений. Это условие удовлетворяется в направлении, перпендикулярном поверхности образца, в силу однородности поля ПЭВ в этом направлении и его локализации у поверхности. В плоскости же образца волновой фронт линеен и ориентирован перпендикулярно направлению распространения ПЭВ, поскольку поперечный размер пучка ПЭВ d существенно больше длины волны излучения λ и поэтому угловое дифракционное уширение пучка (λ/d) мало - порядка 10 радиан [4].
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения с его помощью показателя преломления ПЭВ, возбуждаемой лазерным излучением с λ=110 мкм на поверхности алюминиевого образца, размещенного в воздухе. Ширину исходного пучка ПЭВ d положим равной 2,0 см. Углы наклона граней зеркала 3 относительно плоскости падения выберем одинаковыми и равными 45°, а углы наклона зеркала 6 относительно плоскости падения выберем также одинаковыми и равными 47°00'. Пару зеркал 4, отражающих пучок ПЭВ [5] в первом плече интерферометра, разместим на расстояниях а=2,0 см от плоскости падения, а пару зеркал 5, отражающих пучок ПЭВ во втором плече интерферометра, - на расстоянии b=12,0 см. Расстояние U между зеркалами в каждой паре зеркал 4 и 5 положим равным 5,0 см. Тогда различие геометрических путей первого и второго пучка окажется равным 20,0 см. Расстояние L от уголкового зеркала 6 до плоскости интерферограммы, регистрируемой линейкой 7, выберем равным 15,35 см, что обеспечит угол сбоя пучков α=2,0°.
o
При этом линейка 7 зарегистрирует интерференционную картину, имеющую неизменный период  мм и контраст которой плавно нарастает по мере удаления от плоскости падения. Расчетная картина, нормированная на интенсивность исходного пучка ПЭВ I, представлена на фиг.2. Подставив в формулу (1) значения , λ и угла α, получим κ'=1,0008.
m
1
m
1
m
1
12
1
На фиг.3 приведена зависимость отношения (I-I)/(I+I), выраженного в процентах, от номера m максимума картины, где I, I, - интенсивность излучения в m-том и первом максимумах соответственно. Видно, что, например, для двенадцатого максимума это отношение равно 0,28%, что соответствует превышению I над I приблизительно на 0,56%. Такое различие интенсивностей может быть надежно зарегистрировано выпускаемыми промышленностью детекторами терагерцового излучения [6, 7].
12
1
12
1
-4
-3
Тогда решение уравнения (2) при использовании оговоренных в примере значений λ, α, отношения (I-I)/(I+I) и координат первого и двенадцатого максимумов картины (см. фиг.2) дает величину κ"=2·10. Учитывая, что точность измерения интенсивности излучения современными детекторами ИК-излучения - не ниже 10% [6, 7], стабильность значения λ порядка 1% и, полагая точность определения координат максимумов картины равной 1 мкм, получим, что точность определения κ' и κ" предлагаемым методом составляет 0,1% и 1% соответственно. Это на порядок превышает точность определения κ' и κ" при использовании метода, взятого в качестве прототипа.
Продолжительность же измерений заявляемым способом определяется временем отклика элементов линейки 7 и не превышает долей секунды.
Таким образом, применение в заявляемом способе метода статической асимметричной интерферометрии с использованием ПЭВ как в опорном, так и в измерительном плече позволяет повысить точность определения обеих частей комплексного показателя преломления ПЭВ не менее чем на порядок и сократить время измерений до долей секунды.
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., Никитин А.К., Рыжова Т.Н. Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в инфракрасном диапазоне спектра. // Патент РФ на изобретение №2263923. - Бюллетень изобретений №31 от 10.XI.2005 г.
3. 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. (Прототип).
4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. // М.: Мир, 1983. - 683 с.
5. Bell R.J., Goben С.А., Davarpanah М., Bhasin К., Begley D.L. and Bauer A.C. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves. // Applied Optics, 1975, v.14 (6), p.1322-1325.
6. Вольф У., Цисис Г. "Справочник по инфракрасной технике". В 4-х тт. Т.3. "Приборная база ИК-систем". // М.: Мир, 1999. - 472 стр.
7. Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения (обзор). // Сборник трудов Рабочего совещания учреждений РАН "Генерация и применение терагерцового излучения", 24-25 ноября 2005 г., г.Новосибирск, 2006, с.35-40.