УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МОНОХРОМАТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
DEVICE TO MEASURE LENGTH OF PROPAGATION OF MONOCHROMATIC SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVES OF INFRARED RANGE

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 длины распространения 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.
Спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПЭВ [1]. В ИК-диапазоне применяют, главным образом, абсорбционную ПЭВ-спектроскопию, предполагающую измерение длины распространения ПЭВ L, достигающую в этом диапазоне 1000λ (где λ - длина волны излучения, возбуждающего ПЭВ), которая, поэтому, может быть измерена непосредственно. Причем, так как расстояние взаимодействия излучения с поверхностью в этом методе макроскопическое, то его чувствительность намного превышает чувствительность иных оптических методов контроля поверхности в ИК-диапазоне.
Известно устройство для измерения длины распространения монохроматических ПЭВ ИК-диапазона, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей ПЭВ, фиксированный относительно поверхности элемент преобразования излучения в ПЭВ, перемещаемый вдоль трека ПЭВ элемент преобразования ПЭВ в объемную волну, приемник выходящего из второго элемента преобразования излучения и измерительный прибор, регистрирующий сигналы с выхода приемника [2]. Основным недостатком известного устройства является низкая точность измерений, не превышающая 10%, что обусловлено наличием паразитных приповерхностных объемных волн, порождаемых на первом элементе преобразования в результате дифракции падающего излучения, и вариациями оптической связи между ПЭВ и вторым элементом преобразования в процессе его перемещения.
Известно устройство для измерения длины распространения монохроматических ПЭВ ИК-диапазона, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей ПЭВ, и ребром, перпендикулярным треку ПЭВ и образованным торцовой гранью образца и направляющей поверхностью, перемещаемый вдоль трека ПЭВ элемент преобразования излучения в ПЭВ, приемник излучения, зафиксированный относительно образца и размещенный в плоскости падения на уровне направляющей поверхности, и измерительный прибор, регистрирующий сигналы с выхода приемника [3]. Основным недостатком известного устройства является низкая точность измерений, обусловленная наличием паразитных приповерхностных объемных волн, порождаемых при дифракции падающего излучения на элементе преобразования, и вариациями оптической связи между ПЭВ и элементом преобразования в процессе его перемещения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для измерения длины распространения ПЭВ ИК-диапазона, содержащее источник лазерного излучения, составной твердотельный образец, состоящий из двух примыкающих друг к другу плоскогранных частей, направляющих ПЭВ, вторая из которых является съемной, зафиксированный относительно образца элемент преобразования излучения в ПЭВ, фотодетектор, размещенный в плоскости падения у края образца и имеющий возможность передвижения вдоль линии пересечения плоскости падения и плоской поверхности образца, а также - измерительный прибор, регистрирующий сигналы с выхода детектора [4]. Основным недостатком известного устройства является низкая точность измерений, обусловленная наличием засвечивающих детектор паразитных приповерхностных объемных волн, порождаемых при дифракции падающего излучения на элементе преобразования и регистрацией интенсивности поля ПЭВ после пробега ими всего двух различных расстояний.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности измерений.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения длины распространения монохроматических поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) инфракрасного диапазона содержит источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей ПЭВ, состоящий из двух частей, имеющих сопряженные поверхности, зафиксированный относительно первой части по ходу излучения элемент преобразования излучения в ПЭВ, при этом вторая часть образца выполнена съемной, приемник излучения, размещенный в плоскости падения излучения у края образца и подключенный к измерительному прибору, причем вторая часть образца выполнена в виде полуцилиндра, основание которого сопряжено с торцом первой части образца и ориентировано перпендикулярно треку ПЭВ, ребро второй части образца, образованное ее основанием и цилиндрической поверхностью, находится на уровне направляющей поверхности первой части, а радиус R цилиндрической поверхности удовлетворяет условию 100λ<R<L/π, где λ - длина волны излучения в вакууме, L - длина распространения ПЭВ, при этом обе части образца и приемник размещены на подвижной платформе, способной перемещаться параллельно направляющей поверхности образца.
Повышение точности измерений достигается за счет пространственного разнесения на цилиндрической части образца ПЭВ и объемных приповерхностных волн, возникающих при дифракции излучения на элементе преобразования, что позволяет избежать в процессе выполнения измерений засветки приемника этими паразитными волнами.
На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства, где 1 - источник лазерного (p-поляризованного монохроматического излучения), 2 - элемент преобразования излучения в ПЭВ, 3 - первая часть образца, 4 - вторая часть образца, 5 - приемник излучения, 6 - измерительный прибор, 7 - перемещаемая параллельно направляющей поверхности образца платформа, несущая обе части образца, приемник излучения 5 и измерительный прибор 6.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение лазерного источника 1 падает на элемент преобразования излучения 2 и, с некоторой эффективностью, преобразуется в ПЭВ, направляемые плоской поверхностью первой части образца 3. Дойдя до края первой части образца 3, ПЭВ переходят, практически без изменения своей интенсивности, на цилиндрическую поверхность второй части образца 4 и, направляемые этой поверхностью, достигают ее противоположного края. Дифрагируя на нем, ПЭВ трансформируются в объемную волну, детектируемую приемником 5. Сигнал I, вырабатываемый приемником излучения 5 и пропорциональный интенсивности поля ПЭВ на краю второй части образца 4, регистрируется измерительным прибором 6. Регистрацию сигнала выполняют по мере дискретного продвижения платформы 7 вдоль трека ПЭВ. Тогда длина распространения ПЭВ L может быть рассчитана по формуле [1]:
2
1
1
2
1
2
где x и x - расстояния, проходимые ПЭВ по образцу в произвольные моменты регистрации сигналов I и I с приемника 5, причем x<x. Выполнив измерения и расчеты значений L для большого числа расстояний x, пробегаемых ПЭВ, находят среднее значение L. Многократность измерений и усреднение также способствуют повышению точности определения L.
Ключевым моментом, обеспечивающим функционирование заявляемого устройства, является способность ИК ПЭВ преодолевать зазоры между сопряженными поверхностями проводящих образцов практически без потерь. Это явление исследовано в [5], где установлено, что в ИК-диапазоне эффективность перехода ПЭВ с одной металлической поверхности на другую составляет около 99% при расстоянии между краями поверхностей до 10λ. Такие зазоры между металлическими изделиями без труда достигаются шлифованием сопрягаемых поверхностей.
Второй важной особенностью ИК ПЭВ является факт незначительности их радиационных потерь при распространении по искривленной поверхности с радиусом кривизны R, превышающим λ более чем в 100 раз [6]. С другой стороны, протяженность второй части (с цилиндрической поверхностью) образца, равная πR, должна быть меньше длины распространения L, чтобы ПЭВ достигла края этой части и в конечном счете - приемника. Именно поэтому в формулу изобретения введено условие 100λ<R<L/π.
A1
-5
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность измерения с его помощью длины распространения ПЭВ, генерируемой излучением с λ=20 мкм на поверхности напыленного алюминия, размещенного в воздухе. В качестве элемента преобразования излучения 2 лазерного источника 1 в ПЭВ выберем непрозрачный экран, край которого ориентирован параллельно плоской поверхности первой части образца 3 и расположен на расстоянии 10λ от нее. Длину первой части образца 3 положим равной 6 см. Вторую часть образца 4 выберем в виде полуцилиндра с радиусом R=1,5 см. Согласно [7] комплексная диэлектрическая проницаемость алюминия на данной λ равна ε=-17925+i·7845. Тогда показатель поглощения ПЭВ (т.е. мнимая часть показателя преломления ПЭВ) в рассматриваемом примере будет равен 1,4·10, что соответствует уменьшению интенсивности ПЭВ при распространении по цилиндрической поверхности второй части образца 4 в 1,5 раза. Тогда, при изменении расстояния, пробегаемого ПЭВ по первой части 3 образца от 1 см до 5 см, полная длина пробега ПЭВ изменяется от 2,5π см до 6,5π см, а интенсивность ПЭВ, регистрируемая приемником излучения 5, уменьшается в 1,4 раза. Такое изменение интенсивности может быть надежно зарегистрировано современными фотоприемниками и согласно формуле (1) соответствует длине пробега ПЭВ L, равной 11,4 см. Причем регистрация интенсивности ПЭВ при изменении расстояния, пробегаемого ими по первой части образца 3, с некоторым шагом, позволяет выполнить многократные измерения L с последующим расчетом ее среднего значения.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет повысить точность измерений как за счет полного устранения паразитных засветок приемника дифракционными спутниками ПЭВ, порождаемыми при дифракции излучения источника на элементе преобразования, так и в результате возможности многократного повторения 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. 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.
3. 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.
4. Жижин Г.Н., Мустафина О.М., Никитин А.К. Устройство для измерения длины распространения ПЭВ ИК-диапазона // Патент РФ на изобретение №2380664, Бюл. №3 от 27.01.2010 г. (прототип).
5. 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.
6. K.Hasegawa, J.U.Nockel, and M.Deutsch. Surface plasmon polariton propagation around bends at a metal-dielectric interface // Applied Phys. Lett., 2004, v.84 (11), p.1835-1837.
7. 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(7), p.1099-1120.