Устройство для преобразования инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну на плоской грани проводящего тела
APPARATUS FOR CONVERTING INFRARED RADIATION INTO A SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVE ON A FLAT FACE OF A CONDUCTIVE BODY

Изобретение относится к области исследования поверхности металлов и полупроводников путем измерения характеристик направляемых ей поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) инфракрасного (ИК) или терагерцового (ТГц) диапазона, и может найти применение в сенсорных устройствах, абсорбционных спектрометрах и интерферометрах, использующих в качестве носителя информации поверхностные плазмон-поляритоны (ППП), являющиеся разновидностью ПЭВ [1].
Генерацию ППП осуществляют, чаще всего, воздействуя на исследуемую поверхность образца объемной волной источника излучения. При этом, для согласования фазовых скоростей излучения источника и ИК ППП, а также - их волновых векторов, используют явление дифракции плоской волны на том или ином дифракционном элементе (крае экрана, ребре прозрачной призмы, планарной дифракционной решетке или просто неоднородности на поверхности), размещенном в пределах глубины проникновения поля ППП в окружающую среду [2]. Отрицательным моментом такого способа преобразования ИК или ТГц излучения в ППП является сопутствующее этому эффекту порождение широкого веера паразитных объемных волн, часть из которых является приповерхностными и поэтому трудно отличимыми от ППП [3]. Применение метода нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) для преобразования излучения источника в ППП среднего ИК и ТГц диапазонов практикуют редко, ввиду макроскопической длины распространения таких ПЭВ, значительно превышающей диаметр падающего пучка излучения, что обуславливает большую величину их радиационных потерь в сторону призмы НПВО [2].
Известно апертурное устройство для возбуждения ПЭВ на плоской грани проводящего тела, содержащее источник p-поляризованного излучения, фокусирующий объектив, непрозрачный экран, ориентированный перпендикулярно как плоскости падения, так и плоскости грани, край которого находится в пределах глубины проникновения поля ПЭВ в окружающую среду [4]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) низкая эффективность (доли процента) преобразования излучения источника в ПЭВ; 2) широкий веер интенсивных объемных волн, порождаемых при дифракции излучения на крае экрана и создающих паразитный фон для фотоприемника; 3) отражение подсвеченного края экрана в зеркальной поверхности грани, что создает условия для наблюдения интерференции Ллойда в области размещения фотоприемника.
Более широко для преобразования излучения источника в ППП среднего ИК и ТГц диапазонов применяются планарные дифракционные решетки, формируемые на поверхности, направляющей ПЭВ [5]. Такие элементы преобразования обладают не только преимуществом планарности, но и более высокой эффективностью (десятки процентов) [6]. Однако применение таких устройств для преобразования объемной волны в поверхностную сопряжено с необходимостью модификации поверхности образца, что не всегда приемлемо, а также - с образованием веера интенсивных объемных волн, затрудняющих корректное детектирование ПЭВ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для преобразования терагерцового излучения лазера на свободных электронах (ЛСЭ) в поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) на плоской металлизированной подложке, содержащее источник излучения, поляризатор, цилиндрический фокусирующий объектив, цилиндрический сегмент, выпуклая поверхность которого способна направлять ППП, покрыта слоем диэлектрика субволновой толщины, имеет перпендикулярную плоскости падения излучения осевую линию, ограничена двумя остроугольными ребрами в направлении перпендикулярном плоскости падения, имеет линию пересечения с этой плоскостью короче длины распространения ППП и сопряжена одним из ребер с плоской поверхностью подложки, поглощающий экран, расположенный над треком ППП вне их поля и ориентированный перпендикулярно как к подложке, так и к плоскости падения [7]. Преобразование объемной волны в ППП происходит в результате дифракции сфокусированного излучения ЛСЭ на свободном ребре сегмента. Отличительным достоинством такого устройства (по сравнению с описанными выше) является глубокая экранировка приемника излучения в форме ППП от паразитных объемных волн, порождаемых в результате дифракции излучения ЛСЭ на ребре сегмента. Однако эффективность преобразования объемного излучения в ППП с помощью такого устройства, как и его апертурного аналога, невелика (доли процента).
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение эффективности преобразования монохроматического инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну на плоской грани проводящего тела при удержании такого важного достоинства устройства-прототипа как глубокая экранировка приемника от паразитного излучения, исходящего от дифракционного элемента согласования объемной и поверхностной волн.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) на плоской грани проводящего тела, содержащем источник р-поляризованного монохроматического излучения, оптический объектив, цилиндрический сегмент, выпуклая поверхность которого способна направлять ПЭВ, покрыта слоем диэлектрика субволновой толщины, имеет перпендикулярную плоскости падения излучения осевую линию, ограничена двумя остроугольными ребрами в направлении перпендикулярном плоскости падения, имеет линию пересечения с этой плоскостью короче длины распространения ПЭВ и сопряжена одним из ребер с плоской гранью тела, поглощающий экран, расположенный над треком ПЭВ вне ее поля и ориентированный перпендикулярно как к грани, так и к плоскости падения, объектив выбран коллимационным, выпуклая поверхность сегмента снабжена планарной дифракционной решеткой, штрихи которой перпендикулярны плоскости падения, причем источник и объектив, укреплены на платформе, способной перемещаться по дуге, ось которой совпадает с центральным штрихом решетки.
Повышение эффективности преобразования излучения в ПЭВ достигается путем использования для согласования объемной и поверхностной волн не линейного дифракционного элемента (ребра цилиндрического сегмента), а распределенной по выпуклой поверхности сегмента дифракционной решетки. Кроме того, с целью повышения эффективности преобразования, падающее на дифракционный элемент излучения не сфокусировано (как в устройстве-прототипе), а сформировано коллиматором в пучок параллельных лучей, падающих на решетку под углом, обеспечивающим согласование фазовых скоростей и тангенциальных составляющих волновых векторов излучения и ПЭВ. Причем, в отличие от устройства-прототипа, преобразование излучения в ПЭВ в заявляемом устройстве имеет место не только для узкого сектора лучей пучка [8], а для всех лучей (в силу их коллимированности), падающих на решетку, с практически одинаковой эффективностью.
На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник p-поляризованного монохроматического инфракрасного излучения; 2 - коллимационный объектив; 3 - планарная дифракционная решетка, штрихи которой перпендикулярны плоскости падения; 4 - цилиндрический сегмент, выпуклая поверхность которого содержит решетку 3; 5 - платформа, содержащая отъюстированные элементы 1 и 2, которая может перемещаться по дуге с осью, совпадающей с центральным штрихом решетки 3; 6 - плоская грань проводящего тела, примыкающая к ребру выпуклой поверхности сегмента 4; 7 - плоский поглощающий экран, расположенный над треком ПЭВ вне ее поля и ориентированный перпендикулярно как к треку, так и к плоскости падения.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 коллимируют объективом 2 и направляют полученный световой пучок на решетку 3, сформированную на выпуклой поверхности сегмента 4. Поворачивая платформу 5 с укрепленными на ней источником 1 и объективом 2, изменяют угол падения ф излучения на решетку 3 и добиваются выполнения равенства:
здесь κ' - вещественная часть показателя преломления ПЭВ; λ - длина волны излучения в вакууме; Λ - период дифракционной решетки. При выполнении условия (1) достигается согласование фазовых скоростей и волновых векторов излучения первого порядка дифракции и ПЭВ, направляемой поверхностью сегмента 4. В результате, излучение с эффективностью в десятки процентов преобразуется в ПЭВ, в то время как излучение иных порядков дифракции сохраняет форму объемных волн (ОВ), испускаемых решеткой 3 в окружающее пространство под различными углами к поверхности сегмента 4. Эти паразитные ОВ блокируются на пути к фотоприемнику, детектирующему ПЭВ на плоской грани 6 проводящего тела, как линией горизонта выпуклой поверхности сегмента 4, так и экраном 7.
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность преобразования излучения ЛСЭ с λ=130 мкм в ППП, направляемые плоской гранью золотого образца, размещенного в воздухе и содержащего покровный слой сульфида цинка толщиной 0,4 мкм; длина распространения таких ППП L равна 13 см, а вещественная часть показателя преломления κ'≈1,005 [7]. Диаметр поперечного сечения коллимированного пучка d излучения источника 1 выберем равным 10 мм, а в качестве элемента преобразования излучения в ППП - цилиндрический сегмент 4 с образующей равной 60 мм, на выпуклой поверхности которого сформирована планарная дифракционная решетка 3 с периодом Λ=300 мкм, длина и ширина которой не меньше d. Полагая центральный угол между решеткой 3 и ребром сегмента 4, примыкающим к плоской грани тела 7, равным 45°, получим, что длина трека ППП на выпуклой поверхности сегмента 4 приблизительно равна 47 мм (значительно меньше L), что обуславливает потерю ППП 36% своей энергии на этом расстоянии (независимо от вида элемента преобразования). Подставив в уравнение (1) указанные значения κ' λ и Λ, получим, что согласование фазовых скоростей и волновых векторов излучения первого порядка дифракции и ППП достигается при угле падения ϕ излучения источника (ЛСЭ) 1 на решетку 3 равном 35°06'.
Таким образом, применение в качестве элемента преобразования объемной волны в поверхностную планарной дифракционной решетки, нанесенной на выпуклую поверхность цилиндрического сегмента, в сочетании с коллимированностью падающего под определенным углом на решетку излучения, позволяет не только удержать такое важное достоинство устройства-прототипа как глубокое экранирование детектора ППП на плоской грани проводящего тела от их паразитных дифракционных спутников, но и поднять (не менее, чем на порядок) эффективность преобразования, что обусловит дополнительное повышение соотношения сигнал/шум в измерениях с использованием поверхностных плазмон-поляритонов инфракрасного и терагерцового диапазонов.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки: 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. Vaicikauskas V., Antanavicius R., and Januskevicius R. Efficiency of FIR SEW excitation by aperture, prism and mesh methods // Intern. J. of Infrared and Millimeter Waves, 1999, v. 20, No. 3, p. 447-452.
3. Жижин Г.Н., Паркер С.Ф., Честере M.A., Яковлев В.А. Эффективность апертурного возбуждения в спектроскопии поверхностных электромагнитных волн // Оптика и спектроскопия, 1988, Т. 65, Вып. 2, с. 371-375.
4. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Способ индикации дифракционных спутников поверхностных плазмонов терагерцового диапазона// Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 21, с. 93-101.
5. Geary J.W., Medhi G., Peale R.E., and Buchwald W.R. Long-wave infrared surface plasmon grating coupler // Applied Optics, 2010, v. 49, No. 16, p. 3102-3110.
6. Gaborit G., Armand D., Coutaz J.-L., Nazarov M., Shkurinov A. Excitation and focusing of terahertz surface plasmons using a grating coupler with elliptically curved grooves // Applied Physics Letters, 2009, v. 94, 231108.
7. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Growth of terahertz surface plasmon propagation length due to thin-layer dielectric coating // JOSA (B), 2016, v. 33, No. l11 p. 2196-2203. DOI: 10.1364/JOSAB.33.002196 (прототип).
8. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., 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, No. 8, p. 2182-2190. DOI: 10.1364/JOSAB.30.002182.