СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА ЗА ВРЕМЯ ОДНОГО ИМПУЛЬСА ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING ATTENUATION COEFFICIENT OF SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVES IN INFRARED RANGE DURING ONE RADIATION PULSE

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 измерения коэффициента затухания поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых этой поверхностью, в инфракрасной (ИК) области спектра, и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, в ИК-спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в контрольно-измерительной технике нанотехнологий, в лазерной и интегральной оптике.
ПЭВ широко применяют в абсорбционной спектроскопии поверхности твердого тела и ее переходного слоя [1]. Метод абсорбционной ПЭВ-спектроскопии используют, в основном, в средней и дальней областях ИК-диапазона, где длина распространения ПЭВ достигает 1000λ (здесь λ - длина волны излучения в свободном пространстве) и может быть непосредственно измерена. Причем так как расстояние взаимодействия зондирующего излучения с поверхностью при возбуждении ПЭВ многократно возрастает (по сравнению с отражательными методами изучения поверхности), то чувствительность метода абсорбционной ПЭВ-спектроскопии, соответственно, на много выше чувствительности иных абсорбционно-оптических методов контроля поверхности в ИК-диапазоне.
Для определения коэффициента затухания ПЭВ α в ИК-диапазоне измеряют длину распространения ПЭВ L - величину обратную α и равную расстоянию, на котором интенсивность поля ПЭВ уменьшается в е раз.
Известен болометрический способ определения коэффициента затухания ПЭВ за время одного импульса, возбуждаемых импульсным излучением в структуре «диэлектрик-металл-диэлектрик», включающий возбуждение ПЭВ на прозрачной металлической пленке, ширина которой не превышает ширину пучка лучей ПЭВ, измерение изменения электрического сопротивления участка пленки известной протяженности в результате распространения по нему ПЭВ и последующий расчет коэффициента затухания ПЭВ по результатам измерений и известным параметрам пленки, физическим характеристикам металла и длительности импульса [2]. Основными недостатками такого способа определения коэффициента затухания ПЭВ являются: 1) ограниченность класса ПЭВ, поддающихся контролю; 2) низкая точность измерений, обусловленная квазиадиабатичностью процесса передачи энергии ПЭВ пленке.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является оптический способ определения коэффициента затухания ПЭВ ИК-диапазона за время одного импульса излучения, включающий возбуждение ПЭВ на плоской поверхности металлического образца падающим монохроматическим излучением, размещение в поле ПЭВ вдоль ее трека прозрачной плоскопараллельной пластины, ориентированной своими гранями параллельно поверхности образца, одновременную регистрацию интенсивности излучения ПЭВ в ряде точек на внешней (относительно образца) поверхности пластины и последующий расчет коэффициента затухания по результатам измерений и известным координатам точек [3]. Основными недостатками известного способа являются: 1) искажение характеристик ПЭВ, в том числе и коэффициента затухания, пластиной, размещаемой в поле ПЭВ и, поэтому, обуславливающей дополнительные (радиационные) потери поверхностной волны; 2) перекрытие пластиной доступа к исследуемой поверхности, что во многих случаях контроля поверхности и воздействий на нее является неприемлемым.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности измерений и обеспечение возможности визуального контроля исследуемой поверхности и свободного доступа к ней в процессе измерений.
1
2
Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения коэффициента затухания ПЭВ ИК-диапазона за время одного импульса излучения, включающем возбуждение контролируемого пучка параллельных лучей ПЭВ на плоской поверхности образца падающим монохроматическим излучением и измерение интенсивности поля ПЭВ, контролируемый пучок лучей ПЭВ разделяют на два пучка параллельных лучей и измеряют интенсивности полученных пучков после пробега ими различных расстояний x и x по несовпадающим трекам, а затем рассчитывают величину α по формуле:
1
2
1
2
2
1
где I и I - интенсивности пучков после пробега ими расстояний х и х, где x>x.
Повышение точности измерений достигается в результате удаления из поля контролируемой ПЭВ возмущающего это поле объекта (плоскопараллельной пластины), что практически приводит к ликвидации радиационных потерь ПЭВ и, как следствие, - к большей корректности измерений и повышению их точности.
Обеспечение возможности визуального контроля исследуемой поверхности и свободного доступа к ней в процессе измерений также является результатом устранения прилегающей к поверхности на расстоянии порядка 10λ плоскопараллельной пластины.
1
2
На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного р-поляризованного монохроматического излучения, 2 - элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ, 3 - образец, способный направлять ПЭВ и имеющий плоскую поверхность, 4 - уголковое зеркало, установленное на поверхности образца и ориентированное своими отражающими гранями перпендикулярно к ней, причем ребро этого зеркала, образованное отражающими гранями, расположено в плоскости падения, содержащей ось пучка излучения источника 1, 5 - фокусирующие геодезические линзы, 6 - фотоприемники, размещенные в фокусах линз 5, примыкающие к краям поверхности образца 3 и сопряженные с измерительными приборами G и G.
1
2
1
2
1
2
Способ осуществляется следующим образом. Излучение источника 1 направляют на элемент 2, преобразующий объемное излучение источника в параллельный пучок лучей ПЭВ на плоской поверхности образца 3. Исходный пучок ПЭВ достигает зеркала 4, разделяющего его на два одинаковых по энергии новых пучка ПЭВ. Эти пучки распространяются в противоположных направлениях и, пройдя различные расстояния х и x, достигают линз 5. Излучение пучков ПЭВ концентрируется на чувствительные площадки приемников 6 и порождает в них электрические сигналы, пропорциональные интенсивности пучков и регистрируемые приборами G и G. Затем, используя известные значения x, х и результаты измерений, по формуле (1) рассчитывают искомую величину α. Отметим, что устройство не содержит подвижных элементов, и это позволяет выполнять измерения за время, меньшее длительности импульса излучения и определяемое, главным образом, скоростью срабатывания фотоприемников 6.
1
2
1
2
-2
-1
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения коэффициента затухания ПЭВ, генерируемых на поверхности алюминиевого образца, размещенного в воздухе, лазерным излучением с λ=110 мкм и длительностью импульсов 3 мкс [4]. Диаметр d поперечного сечения пучка излучения источника выберем равным 2,0 см, а в качестве элемента преобразования 2 - планарную дифракционную решетку с периодом 500 мкм и амплитудой гофра 100 мкм, длина и ширина которой не меньше d. Положим, что линзы 5 выполнены в виде сферических углублений в поверхности образца 3, имеющих диаметр 25 мм и образующий радиус, равный 20 мм; фокусное расстояние такой линзы равно 30 мм [5]. В качестве приемников 6 выберем детекторы МГ-32 [6]. Пусть от зеркала 4 до приемников 6 пучки ПЭВ проходят расстояния х=50 мм и x=150 мм, при этом отношение сигналов, вырабатываемых приборами G и G, равно 1,95. Тогда, согласно формуле (1), получим: α=6,7·10 см, что соответствует длине распространения ПЭВ, равной 15,0 см. Отметим, что при определении значения α с использованием устройства, реализующего способ-прототип, величина радиационных потерь таких ПЭВ, при зазоре между пластиной и образцом, равном 1,0 мм, составляет около 10% от тепловых потерь в металле [7]. В устройстве же, реализующем предлагаемый способ, радиационные потери практически отсутствуют при прочих равных иных источниках ошибок измерений.
Таким образом, применение в заявляемом способе разделения исходного пучка ПЭВ на два новых равных по энергии пучка, пробегающих различные расстояния по поверхности образца, позволяет повысить точность определения коэффициента затухания ИК ПЭВ за время одного импульса излучения, а также - обеспечить возможность визуального контроля исследуемой поверхности и свободного доступа к ней в процессе измерений.
Источники информации
1. Zhizhin G.N., Yakovlev V.A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves // Physics Reports, 1990, v.194, No.5/6, p.281-289.
2. Большаков М.М., Никитин А.К., Тищенко А.А., Самодуров Ю.И. Устройство для определения коэффициента поглощения ПЭВ металлическими пленками // Автор. св. СССР №1684634. - Бюл. №38 от 15.10.1991 г.
3. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Устройство для исследования тонких слоев в терагерцовой области спектра // Патент на изобретение №2325729 (прототип).
4. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д. и др. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух" // Оптика и спектроскопия, 2006, Т.100, №5, с.798-802.
5. Anderson D.B., Davis R.L., Boyd J.T. Comparison of optical-waveguide lens technologies // IEEE J. Quantum Electronics, 1977, v.QE-13, No.4, p.275-282.
6. Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения // Сб. трудов рабочего совещания учреждений РАН "Генерация и применение терагерцового излучения", 24-25 ноября 2005 г., г.Новосибирск, 2006, с.35-40.
7. Otto A. The surface polariton response in attenuated total reflection // In Polaritons: Prceedings of the First Taormina Research Conference on the Structure of Matter, eds. by E. Burstein and F.D.Martina, Pergamon, New York, 1974, p.117-121.