УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
DEVICE FOR DETERMINING ABSORPTION COEFFICIENT OF SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVES IN INFRARED BAND

Изобретение относится к бесконтактным исследованиям поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно к определению спектров поглощения как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых этой поверхностью, в инфракрасном диапазоне (ИК) спектра, и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, в ИК-спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике нанотехнологий.
Спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПЭВ [1, 2]. В ИК-диапазоне применяют, главным образом, абсорбционную ПЭВ-спектроскопию, предполагающую измерение длины распространения ПЭВ L (величины, обратной коэффициенту поглощения α), достигающую в этом диапазоне 1000λ (где λ - длина волны излучения, возбуждающего ПЭВ) и которая, поэтому, может быть измерена непосредственно. Причем, так как расстояние взаимодействия излучения с поверхностью в этом методе макроскопическое, то его чувствительность на много превышает чувствительность иных оптических методов контроля поверхности в ИК-диапазоне.
Известно устройство для измерения длины распространения ПЭВ в ИК-диапазоне, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, фиксированный относительно поверхности элемент преобразования объемного излучения (ОИ) в ПЭВ, перемещаемый вдоль трека ПЭВ элемент преобразования ПЭВ в ОИ, фотодетектор, преобразующий ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений [3]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью прецизионного перемещения элемента преобразования (ПЭВ в ОИ) в процессе измерений; 2) низкая точность измерений, что связано с варьированием эффективности преобразования ПЭВ в ОИ при перемещении соответствующего элемента вдоль трека ПЭВ; 3) наличие в устройстве отдельного элемента преобразования ПЭВ в ОИ.
Известно устройство для определения коэффициента поглощения ПЭВ металлическими пленками, содержащее импульсный источник монохроматического излучения, элемент преобразования объемной электромагнитной волны в ПЭВ, прозрачную металлическую пленку, направляющую ПЭВ, снабженную двумя электродами, разнесенными вдоль трека ПЭВ, и имеющую ширину, не превосходящую поперечный размер пучка излучения источника, подложку для пленки, измеритель электрического напряжения, усилитель и источник постоянного тока [4]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) ограниченность класса исследуемых образцов (они должны быть прозрачными и шириной, не превосходящей поперечный размер пучка излучения источника); 2) ограниченность разновидностей излучения, возбуждающего ПЭВ (оно должно быть импульсным); 3) необходимость термостатирования источника для стабилизации его параметров.
Известно устройство для исследования тонких слоев методом абсорбционной ПЭВ-спектроскопии в терагерцовой (ТГц) области спектра, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, объединенные в один элементы преобразования ОИ в ПЭВ и обратно, выполненные в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом, обращенной основанием к образцу, внедренной в поле ПЭВ и расположенной параллельно поверхности образца на расстоянии не меньше 10λ, причем размер пластины в плоскости падения не меньше длины распространения ПЭВ, а также - фотоприемное устройство, выполненное в виде линейки фотодетекторов и размещенное на верхней грани пластины [5]. Основным недостатком такого устройства является искажение результатов измерений вследствие внедрения пластины в поле ПЭВ, что приводит к увеличению потерь энергии ПЭВ на излучение и, как следствие, к уменьшению длины распространению ПЭВ по сравнению с невозмущенной поверхностью образца.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является абсорбционный ПЭВ-спектрометр ТГц диапазона, содержащий источник лазерного излучения, фокусирующий объектив, твердотельный образец с плоской поверхностью, элемент преобразования ОИ в ПЭВ в виде непрозрачного экрана, перемещаемого над поверхностью, ограниченной в направлении распространения ПЭВ ребром образца, обеспечивающим трансформацию ПЭВ в ОИ, фотоприемное устройство, преобразующее ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений [6]. Основными недостатками известного устройства являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью прецизионного перемещения объектива и элемента преобразования (ОИ в ПЭВ) в процессе измерений; 2) низкая точность измерений, что связано с варьированием эффективности преобразования ОИ в ПЭВ при перемещении соответствующего элемента вдоль трека ПЭВ.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является сокращение времени и повышение точности измерений.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для определения коэффициента поглощения ПЭВ инфракрасного диапазона, содержащем источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей ПЭВ, элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ, фотодетектор, размещенный у края поверхности в плоскости падения излучения и подключенный к измерительному прибору, и блок обработки результатов измерений, образец выполнен в виде двух частей, имеющих лежащие в одной плоскости сопряженные поверхности и прилегающих друг к другу боковыми гранями, края которых на пересечении с волноведущей поверхностью совмещены и ориентированы наклонно к треку ПЭВ, элемент преобразования неподвижен относительно фиксированной первой части образца по ходу излучения, вторая часть образца способна перемещаться параллельно волноведущей поверхности, а фотодетектор установлен с возможностью передвижения вдоль линии пересечения плоскости падения излучения и поверхности, направляющей ПЭВ.
Сокращение времени измерений достигается за счет устранения необходимости прецизионного перемещения элемента преобразования объемной волны в поверхностную вдоль трека ПЭВ в процессе измерений на расстояние, сравнимое с длиной распространения ПЭВ (от нескольких сантиметров до нескольких дециметров, в зависимости от частоты излучения).
Повышение точности измерений достигается в результате фиксации элемента преобразования объемной волны в поверхностную относительно образца, что позволяет избежать варьирования эффективности возбуждения ПЭВ в процессе выполнения измерений.
На чертеже приведена схема заявляемого устройства, где 1 - источник р-поляризованного монохроматического излучения, 2 - элемент преобразования излучения в ПЭВ, 3 - неподвижная часть образца, 4 - подвижная часть образца, 5 - фотодетектор, 6 - измерительный прибор, 7 - блок обработки результатов измерений.
1
1
2
2
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на элемент 2 и с некоторой эффективностью преобразуется в ПЭВ, направляемую плоской поверхностью неподвижной части 3 образца. Дойдя до края поверхности части 3 образца, ИК ПЭВ переходит, практически без изменения своей интенсивности, на плоскую поверхность подвижной части 4 образца и продолжает распространяться в прежнем направлении до ее края, пройдя при этом расстояние l. Дифрагируя на краю части 4 образца, ПЭВ трансформируется в объемную волну, которая поглощается фотодетектором 5. Сигнал I, вырабатываемый фотодетектором 5 и пропорциональный интенсивности ПЭВ на краю части 4, регистрируется прибором 6. Затем подвижную часть 4 образца смещают параллельно волноведущей поверхности, сохраняя контакт ее боковой грани с боковой гранью первой части. При этом расстояние, проходимое ПЭВ по части 4, станет равным l, а сигнал, вырабатываемый фотодетектором 5, - I. Тогда коэффициент поглощения ПЭВ α может быть рассчитан блоком обработки результатов измерений 7 по формуле [1, 2]:
2
1
1
2
при условии, l>l. Если же выполняется неравенство l>l, то индексы интенсивностей в подлогарифмическом выражении формулы (1) следует поменять местами друг с другом.
1
2
Отметим, что с целью повышения точности измерений выше описанная процедура может быть реализована для большого количества пар расстояний l и l, а затем - рассчитано среднее значение α.
Ключевыми моментами функционирования заявляемого устройства являются, во-первых, факт перехода ИК ПЭВ с одной плоской проводящей поверхности на другую, сопряженную с первой и расположенную в одной и той же плоскости, практически без потерь; во-вторых, плавное изменение расстояния, пробегаемого ПЭВ по образцу, при перемещении его подвижной части 4 в плоскости, параллельной волноведущей поверхности. Явление перехода ПЭВ с одной проводящей поверхности на другую исследовано в работах [7, 8], где установлено, что в среднем ИК-диапазоне эффективность перехода ПЭВ с одной поверхности на другую составляет около 99%, а в ТГц области ИК-спектра она практически (в пределах точности измерений) достигает 100% при расстоянии между краями поверхностей до 10λ. Такие зазоры между твердотельными изделиями легко достигаются шлифованием сопрягаемых поверхностей.
A1
1
1
2
2
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность определения с его помощью коэффициента поглощения ПЭВ, генерируемых излучением источника 1 с длиной волны λ=20 мкм на поверхности алюминиевого образца, размещенного в воздухе. Согласно [9] на данной λ диэлектрическая проницаемость алюминия ε=-17925+i·17845 (где i - мнимая единица). В качестве элемента преобразования 2 излучения источника 1 в ПЭВ выберем непрозрачный экран, край которого ориентирован параллельно поверхности неподвижной части 3 образца и расположен на расстоянии 10λ, от нее. Неподвижную часть 3 выберем в виде бруска с прямоугольным сечением 40×10 мм, торцовая часть которого образована в результате нормального поперечного сечения бруска плоскостью, наклоненной относительно плоскости падения излучения на 30°. Подвижную же часть 4 выберем в виде плоскогранного клина толщиной 10 мм с углом при его вершине, также равным 30°. Причем, гипотенузная боковая грань клина 4 пришлифована к скошенному торцу части 3. Пусть в исходном положении устройства ПЭВ пробегают по части 4 расстояние l=10 мм, при этом показания прибора 6 - I. После смещения клиновидной части 4 на 50 м, в направлении, перпендикулярном плоскости падения, расстояние l, пробегаемое ПЭВ по части 4, станет равным 39 мм, а показания прибора 6 - I.
1
2
2
1
-2
-1
Из решения дисперсионного уравнения ПЭВ для двухслойной структуры [1] следует, что в рассматриваемом примере отношение I/I будет равно 1,3. Такое изменение интенсивности ПЭВ может быть надежно зарегистрировано современными фотодетекторами и, согласно (1) с учетом равенства l-l=39 мм - 10 мм = 29 мм, соответствует значению коэффициента поглощения ПЭВ α, равному 8,8·10 см. Причем, время измерений определяется, главным образом, временем перемещения части 4 на расстояние 50 мм, составляющего не более 1 минуты. Время же измерений, необходимое для определения величины α с помощью устройства-прототипа, при прочих равных условиях, составляет десятки минут, что обусловлено необходимостью прецизионного перемещения с дискретным шагом элемента преобразования 2, сопряженного с объективом, фокусирующим излучение на край элемента 2. Кроме того, в заявляемом устройстве, вследствие фиксации элемента 2 относительно неподвижной части 3 образца, исключена погрешность измерений, связанная с вариациями эффективности преобразования излучения в ПЭВ в результате смещения фокуса объектива относительно края элемента 2 при перемещении последнего над поверхностью образца вдоль трека ПЭВ.
Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое устройство позволяет сократить время и повысить точность измерений.
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. Zhizhin G.N., Yakovlev V.A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves. // Physics Reports. - 1990. - v.194. - No. 5/6. - p.281-289.
3. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Селективное поглощение ПЭВ, распространяющейся по металлу в присутствии тонкой диэлектрической пленки. // Письма в ЖЭТФ. - 1976. - т.24. - Вып.4. - с.221-225.
4. Большаков М.М., Никитин А.К., Тищенко А.А., Самодуров Ю.И. Устройство для определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн металлическими пленками. // Авторское свидетельство СССР №1684634. - Бюл. №38 от 15.10.1991 г.
5. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Устройство для исследования тонких слоев в терагерцовой области спектра. // Заявка на изобретение №2007123801/28 (025929) от 27.06.2007 г. - Решение о выдаче патента от 05 июня 2008 г.
6. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д., Завьялов В.В., Джонг Юнг Ук, Ли Банг Чол, Сеонг Хи Пак, Хек Джин Ча. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух". // Оптика и спектроскопия. - 2006. - Т.100. - №5. - с.798-802 (прототип).
7. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям. // Гл.3, с.88 в работе [1].
8. Nazarov M., Coutaz J.-L., Shkurinov A., Garet F. THz surface plasmon jump between two metal edges. // Optics Communications, 2007, v.277, p.33-39.
9. Ordal M.A., Long L.L., Bell R.J. et al. Optical properties of metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti and W in the infrared and far infrared. // Applied Optics. - 1983. - v.22. - No. 7. - p.1099-1120.