СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИНФРАКРАСНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОНОВ ПО РЕАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD TO MEASURE LENGTH OF DISTRIBUTION OF INFRA-RED SUPERFICIAL PLASMONS ON REAL SURFACE

Изобретение относится к бесконтактным исследованиям поверхности металлов оптическими методами, а именно к определению спектров поглощения как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения длины распространения поверхностных плазмонов, 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, в лазерной и интегральной оптике.
Поверхностные плазмоны (ПП) представляют собой разновидность поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых проводящей поверхностью, и широко используются для ее контроля и абсорбционной спектроскопии [Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.]. Метод абсорбционной ПП-спектроскопии используют, в основном, в средней и дальней областях ИК-диапазона, где длина распространения ПП L (расстояние вдоль трека, на котором интенсивность поля ПП уменьшается в e раз) 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 его трансформации в ПП многократно возрастает (по сравнению с отражательными методами изучения поверхности), то чувствительность метода абсорбционной ПП-спектроскопии, соответственно, намного выше чувствительности иных абсорбционно-оптических методов контроля поверхности в ИК-диапазоне.
Известен способ измерения длины распространения ПП, включающий размещение в поле ПП над их треком подвижного элемента преобразования ПП в объемную волну, измерение зависимости интенсивности объемной волны от расстояния, пройденного ПП, и расчет длины распространения по результатам измерений [Shoenwald J., Burstein Е., Elson J.M. Propagation of surface polaritons over macroscopic distances at optical frequencies // Solid State Comm., 1973, v.12, p.125-129]. Основными недостатками такого способа являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью прецизионного перемещения элемента преобразования в процессе измерений; 2) низкая точность измерений из-за возмущения поля ПП элементом преобразования и вариаций эффективности преобразования при перемещении подвижного элемента.
Известен болометрический способ определения коэффициента поглощения ПЭВ, позволяющий измерять их длину распространения, включающий возбуждение ПЭВ на прозрачной металлической пленке, ширина которой не превышает ширину пучка ПЭВ, измерение изменения электрического сопротивления участка пленки известной протяженности в результате распространения по нему ПЭВ и последующий расчет величины L по результатам измерений и известным параметрам пленки, физическим характеристикам металла и длительности импульса [Большаков М.М., Никитин А.К., Тищенко А.А., Самодуров Ю.И. Устройство для определения коэффициента поглощения ПЭВ металлическими пленками // Авт.св. №1684634. - Бюл. №38 от 15.10.1991 г.]. Основными недостатками такого способа являются: 1) ограниченность класса ПЭВ, поддающихся контролю; 2) низкая точность измерений, обусловленная квазиадиабатичностью процесса передачи энергии ПЭВ пленке.
Известен способ измерения длины распространения ПП, включающий измерение интенсивности излучения вдоль трека ПП, внесение в поле ПП острия оптоволоконного зонда, соединенного с фотодетектором, подключенным к гальванометру, измерение зависимости интенсивности светового сигнала, поступающего на фотодетектор, от расстояния, пройденного ПП, и расчет значения L по результатам измерений [Mueckstein R., Mitrofanov О. Imaging of terahertz surface plasmon waves excited on a gold surface by a focused beam // Optics Express, 2011, v.19, No.4, p.3212-3217]. Основными недостатками способа являются низкая точность измерений, обусловленная возмущением поля ПП зондом, что искажает результаты измерений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ измерения длины распространения ПП ИК-диапазона, включающий размещение в поле ПП вдоль ее трека прозрачной плоскопараллельной пластины, ориентированной своим основанием параллельно поверхности образца, регистрацию интенсивности излучения, выходящего из пластины, линейкой фотоприемников и последующий расчет длины распространения по результатам измерений [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, 27.01.2009 г.]. Основными недостатками известного способа являются: 1) возмущение поля ПП размещаемой в нем пластиной, что обуславливает отличие результатов измерений от истинного значения L; 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.
Технический результат достигается тем, что в известном способе измерения длины распространения ПП ИК-диапазона, включающем измерение интенсивности излучения вдоль трека плазмонов и расчет значения длины распространения по результатам измерений, измеряют интенсивность объемного излучения, порожденного плазмонами на естественных неоднородностях поверхности, представляющих собой статистически равномерно распределенные вариации оптических постоянных и шероховатости, причем измерения осуществляют за пределами поля плазмонов.
Повышение точности измерений достигается в результате того, что реализация способа не предполагает внедрение в поле ПП элемента его преобразования в объемное излучение; частичная трансформация поля ПП в объемное излучение происходит на естественных неоднородностях поверхности, направляющей ПП. Вследствие этого, измерения становятся более корректными, так как их реализация не приводит к искажению контролируемого объекта (поля ПП).
Изобретение поясняется схемой устройства, реализующего способ, представленной на рис.1.
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на рис.1, где цифрами обозначены: 1 - источник монохроматического излучения; 2 - поляризатор; 3 - плоское зеркало; 4 - вогнутое зеркало с цилиндрической отражающей поверхностью; 5 - проводящий образец, 6 - элемент преобразования, выполненный в виде призмы с плоским металлизированным основанием, ориентированным параллельно поверхности образца 5; 7 - поглощающий плоский экран, ориентированный перпендикулярно плоскости падения излучения и край которого удален от образца 5 на расстояние, превышающее глубину проникновения поля ПП в окружающую среду; 8 - регулируемые диафрагмы, размещенные вне поля ПП; 9 - собирающие линзы, оптические оси которых лежат в плоскости падения и проходят через центры соответствующих диафрагм 8; 10 - фотодетекторы, размещенные в фокусах линз 9; 11 - гальванометры, раздельно подключенные к детекторам 10; 12 - устройство обработки информации.
Способ осуществляется следующим образом. Излучение источника 1 направляют на поляризатор 2, выделяющий из электромагнитной волны p-составляющую. С помощью зеркал 3 и 4 поляризованное излучение направляют в зазор между проводящей поверхностью образца 5 и металлизированным основанием призмы 6. В зазоре излучение преобразуется в ТМ-моды полого металлического волновода, образованного основанием призмы 6 и поверхностью образца 5. Эти моды, дифрагируя на ребре призмы 6, с некоторой эффективностью преобразуются в ПП [Gong М., Jeon T.-I., Grischkowsky D. THz surface wave collapse on coated metal surfaces // Optics Express, 2009, v.17(19), 17088] и порождают веер паразитных объемных волн, поглощаемых экраном 7. Пучок ПП проходит под экраном 7 и распространяется в плоскости падения по поверхности образца 5, содержащей статистически равномерно распределенные неоднородности в виде вариаций оптических постоянных и шероховатости.
1
2
Наличие неоднородностей приводит к радиационным потерям ПП в виде объемных волн (ОВ), интенсивность которых пропорциональна интенсивности поля ПП и величине неоднородности в данной точке трека [Kretschmann Е. Decay of non radiative surface plasmons into light on rough silver films // Opt. Commun., 1972, v.6(3), p.185-187]. Эти OB распространяются в окружающей среде под различными углами к поверхности образца 5, причем диаграмма направленности порождаемого ПП рассеянного излучения имеет выраженный (по углу) максимум [Kretschmann Е. The angular dependence and the polarisation of light emitted by surface plasmons on metals due to roughness // Optics Comm., 1972, v.5(5), p.331-336]. Генерируемые плазмонами OB проходят через диафрагмы 8 и падают на соответствующие линзы 9, оптические оси которых совпадают с направлением максимума диаграммы направленности рассеянного излучения. Линзы 9 фокусируют на соответствующие детекторы 10 только ОВ, излученные из участков трека, расположенных вблизи его пересечения с осями линз 9. Электрические сигналы с выходов детекторов 10 измеряются соответствующими гальванометрами 11 и поступают на устройство 12, которое по известному расстоянию Δx между участками трека, излучающими детектируемые OB, и силам токов I и I, измеренных первым и вторым (по ходу ПП) детекторами 9, рассчитывает длину распространения ПП по формуле:
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi></mrow><mrow><mi>ln</mi><mo stretchy="false">(</mo><mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
-3
1
2
1
2
1
2
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения длины распространения ПП, генерируемых излучением с длиной волны 130 мкм, по размещенному в воздухе золотому образцу с гауссовым распределением неровностей поверхности. Экспериментально установлено, что длина распространения ПП по реальной поверхности благородных металлов в дальнем ИК-диапазоне меньше расчетной (без учета неоднородностей поверхности) примерно в 100 раз и составляет примерно 10 см вместо расчетных 10 м [Schlesinger Z., Webb B.C., Sievers A.J. Attenuation and coupling of far infrared surface plasmons // Solid State Comm., 1981, v.39(10), p.1035-1039]. Столь большое различие объясняется, главным образом, не учетом в расчетах оптической неоднородности и шероховатости реальной поверхности. Для генерации ПП используем лазер на свободных электронах с мощностью пучка 100 Вт, а эффективность преобразования ОВ в ПП положим равной 1% [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.К., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Appl. Phys. Letters, 2011, v.98, 171912]. Поскольку радиационные потери ПП значительно превышают тепловые потери, то после пробега ПП расстояния 10 см по реальной поверхности золота примерно 2/3 начальной энергии поля ПП будет израсходовано на радиацию ОВ. Тогда, выбрав диаметр диафрагм 8, размещенных перед линзами 9, равным 1 мм, получим, что объемные волны, поступающие на приемники 10, доставляют энергию не менее 10 Вт. Такие уровни энергии могут быть уверенно зарегистрированы серийными неохлаждаемыми приемниками [Рогальский А. Инфракрасные детекторы / Новосибирск: Наука, 2003. - 636 с.]. Пусть при размещении приемников 10 на расстоянии 5,0 см друг от друга, отношение I/I оказалось равным 2,0, тогда согласно формуле (1) L≈7,2 см. При I/I=3,0 получим L≈4,6 см; при I/I=5,0 получим L≈3,1 см и т.д.
Таким образом, приведенный пример наглядно демонстрирует возможность измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов по реальной поверхности металла заявляемым способом, без возмущения поля плазмонов зондирующим элементом и изменения длины пробега плазмонов в процессе измерений, что и обеспечивает достижение поставленной в изобретении цели - повышение точности измерений.