УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА ЗА ВРЕМЯ ОДНОГО ИМПУЛЬСА ИЗЛУЧЕНИЯ
INFRARED RANGE SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVE DURING ONE RADIATION PULSE ATTENUATION COEFFICIENT DETERMINATION DEVICE

Изобретение относится к области исследования 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) и терагерцовой (ТГц) областях 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 преобразовании его в 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 РЖ-диапазоне измеряют длину распространения ПЭВ L - величину обратную α и равную расстоянию, на котором интенсивность поля ПЭВ уменьшается в е раз.
Известно болометрическое устройство для определения коэффициента затухания ПЭВ за время одного импульса, содержащее импульсный источник р-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец в виде узкого прозрачного металлического слоя на плоской подложке, снабженного двумя электродами, последовательно подключенными к слою после элемента преобразования на расстоянии не менее чем на порядок превышающем ширину слоя, источник постоянного тока, усилитель и измеритель электрического напряжения [2]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) ограниченность класса ПЭВ, поддающихся контролю; 2) низкая точность измерений, обусловленная квазиадиабатичностью процесса передачи энергии ПЭВ образцу.
Известно устройство для получения спектров поглощения тонких слоев в терагерцовой области спектра, содержащее перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью и исследуемым слоем на ней, элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ и обратно, выполненный как одно целое в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом, причем пластина своей гранью, обращенной к образцу, расположена в поле ПЭВ параллельно поверхности образца на расстоянии не меньше 10λ от нее и имеет длину вдоль трека ПЭВ не менее длины распространения ПЭВ, фотоприемное устройство, выполненное в виде линейки фотодетекторов и размещенное на верхней грани пластины, и блок обработки результатов измерений [3]. Известное устройство имеет следующие недостатки: 1) наличие пластины в поле ПЭВ искажает ее поле и обуславливает дополнительные (радиационные) потери ПЭВ, искажая таким образом результат измерений; 2) пластина перекрывает доступ к исследуемой поверхности, что часто является неприемлемым.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для определения коэффициента затухания ПЭВ инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащее источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец, имеющий плоскую грань и способный направлять ПЭВ, элемент для разделения исходного пучка ПЭВ на два вторичных пучка, выполненный в виде уголкового зеркала, установленного на грани образца и ориентированного отражающими гранями перпендикулярно к ней, причем ребро этого зеркала, образованное отражающими гранями, расположено в плоскости падения, содержащей ось пучка излучения источника, два фокусирующих объектива и два фотоприемника, размещенных в фокусах этих объективов и сопряженных с измерительными приборами [4]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) низкая точность измерений из-за небольшого соотношения сигнал/шум, что является следствием дифракции излучения источника на ребре зеркала, сопровождаемой порождением веера паразитных приповерхностных волн, засвечивающих фотоприемники [5]; 2) необходимость прецизионной юстировки устройства с целью достижения равенства интенсивностей вторичных пучков на отражающих гранях зеркала и поддержания его в процессе измерений.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности измерений и упрощение процедуры измерений.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащем источник коллимированного р-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец, имеющий плоскую грань и способный направлять ПЭВ, элемент для разделения исходного пучка ПЭВ на два вторичных пучка, два фокусирующих объектива и два фотоприемника, размещенных в фокусах этих объективов и сопряженных с измерительными приборами, элемент для разделения пучка ПЭВ выполнен в виде плоской светоделительной пластинки с известным коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания данной ПЭВ, ориентированной перпендикулярно грани образца, примыкающий к ней и пересекающей исходный пучок ПЭВ.
Повышение точности измерений достигается увеличением соотношения сигнал/шум, вследствие использования в качестве элемента для разделения исходного пучка ПЭВ плоской светоделительной пластинки вместо уголкового зеркала. Взаимодействие пучка ПЭВ с однородной пластинкой, пересекающей трек пучка, сопровождается порождением значительно меньшего количества паразитных приповерхностных волн, чем при его взаимодействии с ребром зеркала, сопрягающим его отражающие грани [6].
Упрощение процедуры измерений также является результатом использования светоделительной пластинки вместо уголкового зеркала, поскольку при этом исчезает необходимость прецизионной юстировки устройства с целью достижения равенства интенсивностей вторичных пучков и поддержания его в процессе измерений.
1
2
На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения; 2 - элемент преобразования излучения источника 1 в ПЭВ; 3 - плоская грань образца, способная направлять ПЭВ; 4 - плоская светоделительная пластинка с известным коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания данной ПЭВ, ориентированная перпендикулярно грани 3, примыкающая к ней и пересекающая исходный пучок ПЭВ; 5 - фокусирующие объективы; 6 - фотоприемники, размещенные в фокусах объективов 5; 7 - измерительные приборы G и G, подключенные к выходам приемников 6.
1
2
1
o
1
2
o
2
1
2
o
1
2
1
2
1
2
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 направляют на элемент 2, преобразующий излучение в параллельный пучок лучей ПЭВ на плоской грани 3 образца. Сформированный пучок ПЭВ достигает пластинки 4, разделяющей его на два вторичных пучка ПЭВ, энергия которых определяется коэффициентом отражения R и коэффициентом пропускания Т пластинки 4 для данной ПЭВ. Вторичные пучки распространяются по различным трекам и, пройдя соответствующие расстояния x и х, достигают ребер грани 3. В результате дифракции на них 3 вторичные пучки ПЭВ практически со 100% эффективностью преобразуются в узконаправленное (в плоскости, перпендикулярной грани 4) излучение [7], направляемое объективами 5 на соответствующие приемники 6. Сигналы на выходах приемников 6, пропорциональные энергиям вторичных пучков ПЭВ на ребрах грани 3, измеряются приборами 7 и описываются выражениями: I=I⋅R⋅ехр(-α⋅х) и I=I⋅Т⋅ехр(-α⋅х); где I - сигнал, порожденный пучком ПЭВ, отраженным пластинкой 4; где I - сигнал, порожденный пучком ПЭВ, прошедшим через пластинку 4; I - энергия исходного пучка ПЭВ на входе в пластинку 4. Используя измеренные значения I, I, x и х, а также известные значения R и T, рассчитывают значение коэффициента затухания ПЭВ α по формуле, полученной путем решения системы выражений для I и I относительно α:
1
2
1
2
-2
-1
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность определения коэффициента затухания ПЭВ, генерируемых на поверхности алюминиевого образца, размещенного в воздухе, излучением с λ=130 мкм и длительностью импульсов 3 мкс. Диаметр d поперечного сечения пучка излучения источника 1 выберем равным 1,0 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 объективами 5 являются ТРХ(полиметилпентен)-линзы с фокусным расстоянием 25 мм [8]. В качестве приемников 6 выберем электрооптические детекторы импульсного ТГц излучения ЭОД-БИК [8], а каптоновую (полиимидную) пленку толщиной 0.14 мм с R=0.5 и T=0.45 для данной ПЭВ используем для деления пучка ПЭВ вместо пластинки 4 [6]. Пусть от пленки 4 до приемников 6 пучки ПЭВ-пучки проходят расстояния x=50 мм (отраженный пучок) и х=150 мм (прошедший через пленку 4 пучок), при этом отношение сигналов, вырабатываемых приборами G и G (см. Фиг. 1) равно 2.17. Тогда, согласно формуле (1), получим: α=6,7⋅10 см, что соответствует длине распространения ПЭВ равной 15.0 см. Отметим, что время измерений определяется фактически временем срабатывания приемников 6, которое в рассматриваемом примере составляет до 120 фс [8].
Таким образом, применение в заявляемом устройстве плоской светоделительной пластинки вместо уголкового зеркала для разделения исходного пучка ПЭВ позволяет не только упростить процедуру измерений, вследствие исключения необходимости прецизионной юстировки устройства с целью достижения равенства интенсивностей вторичных ПЭВ-пучков и поддержания его в процессе измерений, но и повысить точность измерений в результате увеличения соотношения сигнал/шум за счет значительного уменьшения количества и интенсивности паразитных приповерхностных волн, порождаемых при разделении исходного ПЭВ-пучка на вторичные.
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. 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. Никитин А.К., Жижин Г.Н., Богомолов Г.Д., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Устройство для получения спектров поглощения тонких слоев в терагерцовой области спектра // Патент РФ на изобретение №2345351. - Бюл. №3 от 27.01.2009 г.
4. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны ИК диапазона за время одного импульса излучения // Патент РФ на изобретение №2400714. - Бюл. №27 от 27.09.2010 г. (прототип).
5. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К., Никитин В.В. Способ индикации дифракционных спутников поверхностных плазмонов терагерцового диапазона // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 21, с. 93-101.
6. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Reflection of terahertz surface plasmons from plane mirrors and transparent plates // Proc. of 41-st Intern. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz. Copenhagen, 25-30 Sept., 2016. - P. 7758410-7758411. (http://www.irmmw-thz2016.org/)
7. Kotelnikov I.A., Gerasimov V.V., Knyazev B.A. Diffraction of surface wave on conducting rectangular wedge // Phys. Rev. (A), 2013, V. 87, 023828.
8. http://www.tvdexoptics.com/ru/products/thz_optics/thz_lens1/