RU2021590C1 - Method of measurement of parameters of outside action on medium or object and device to implement it - Google Patents
Method of measurement of parameters of outside action on medium or object and device to implement it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2021590C1 RU2021590C1 RU93012076A RU93012076A RU2021590C1 RU 2021590 C1 RU2021590 C1 RU 2021590C1 RU 93012076 A RU93012076 A RU 93012076A RU 93012076 A RU93012076 A RU 93012076A RU 2021590 C1 RU2021590 C1 RU 2021590C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal film
- electromagnetic radiation
- medium
- radiation
- parameters
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к неконтактным методам исследования характеристик внешних воздействий на среду, преимущественно биологического происхождения, и/или контактирующей с биологическими объектами среды, параметры которой определяют жизнедеятельность данных биологических объектов. The invention relates to non-contact methods for studying the characteristics of external influences on the environment, mainly of biological origin, and / or in contact with biological objects of the environment, the parameters of which determine the vital activity of these biological objects.
Известен способ измерения параметров внешнего воздействия на среду или объект, включающий регистрацию посредством соответствующего датчика, например, датчика магнитного или электромагнитного поля, преобразование сигнала с датчика и его визуализацию. A known method of measuring the parameters of external effects on the environment or object, including registration by means of an appropriate sensor, for example, a sensor of a magnetic or electromagnetic field, converting the signal from the sensor and its visualization.
Данным способом регистрируют параметры внешних воздействий в большинстве случаев, однако при этом датчик вносит существенные погрешности в процесс регистрации, которые устраняются только сложными техническими средствами коррекции полученного сигнала. In this way, the parameters of external influences are recorded in most cases, however, the sensor introduces significant errors in the registration process, which are eliminated only by sophisticated technical means of correcting the received signal.
Также известен способ измерения параметров внешнего воздействия, включающий пропускание потока электромагнитного излучения через среду, например, световод, имеющий частицы, свойства которых зависят от выбранного внешнего воздействия, например однодоменные частицы с векторами намагниченности, параллельными продольной оси световода. После чего по фазовым сдвигам прошедшей оптической волны судят о величине регистрируемого параметра, в частности магнитного поля. Also known is a method of measuring the parameters of external action, including transmitting a stream of electromagnetic radiation through the medium, for example, a fiber having particles whose properties depend on the selected external effect, for example, single-domain particles with magnetization vectors parallel to the longitudinal axis of the fiber. Then, the phase shifts of the transmitted optical wave are used to judge the magnitude of the recorded parameter, in particular the magnetic field.
Недостатком указанного способа является то, что для регистрации информации необходимо использовать интерферометр или другую довольно сложную оптическую аппаратуру, что в ряде случаев, например, в полевых или промышленных исследованиях, затрудняет или полностью исключает возможность проведения необходимой регистрации. The disadvantage of this method is that for the registration of information it is necessary to use an interferometer or other rather sophisticated optical equipment, which in some cases, for example, in field or industrial research, makes it difficult or completely excludes the possibility of the necessary registration.
Наиболее близким к заявленному является способ измерения параметров внешнего воздействия на среду или объект, включающий задание контрольных зависимостей сигнала отклика от внешнего воздействия на эталонную чувствительную среду, воздействие на одну из сторон структуры, выполненной из металлической пленки, нанесенной на подложку, потоком электромагнитного излучения, с расположением упомянутой среды со стороны металлической пленки упомянутой структуры, возбуждение в металлической пленке поверхностной электромагнитной волны и формирование сигнала отклика от данной структуры, по сравнению которого с контрольными зависимостями судят об измеряемых параметрах. Closest to the claimed one is a method of measuring the parameters of an external influence on a medium or an object, including setting control dependences of the response signal on the external influence on a reference sensitive medium, exposure to one of the sides of a structure made of a metal film deposited on a substrate by an electromagnetic radiation flux, s the location of the aforementioned medium from the side of the metal film of the said structure, the excitation in the metal film of a surface electromagnetic wave and the formation the response signal from this structure, compared with which control parameters are judged on the measured parameters.
Данный способ реализуется посредством устройства, содержащего источник электромагнитного излучения, твердотельную структуру, состоящую из нанесенной на подложку металлической пленки для возбуждения в последней поверхностной электромагнитной волны, объем с эталонной чувствительной средой, расположенный со стороны металлической пленки, и блок обработки информации. This method is implemented by means of a device containing a source of electromagnetic radiation, a solid-state structure consisting of a metal film deposited on a substrate for excitation in the last surface electromagnetic wave, a volume with a reference sensitive medium located on the side of the metal film, and an information processing unit.
Упомянутый способ позволяет осуществлять регистрацию параметров внешнего воздействия посредством указанного устройства бесконтактным методом с высокой точностью, однако в данном случае необходимо применение специального канала регистрации отраженного от металлической пленки потока электромагнитного излучения, включающего соответствующую оптическую схему и фотопреобразователь, что существенно усложняет способ и устройство. Применение же фиксированного либо гибкого расположения элементов упомянутой оптической схемы приводит соответственно к жесткому ограничению диапазона измерений и области применения либо к ее более резкому усложнению и удорожанию способа и устройства и снижению точности измерений. The mentioned method allows recording the parameters of external influences by means of the specified device using a non-contact method with high accuracy, however, in this case, it is necessary to use a special channel for recording the electromagnetic radiation flux reflected from the metal film, including the corresponding optical circuit and a photoconverter, which significantly complicates the method and device. The use of a fixed or flexible arrangement of the elements of the aforementioned optical circuit leads, respectively, to severely limit the measurement range and scope, or to its sharper complication and cost of the method and device and reduce the accuracy of measurements.
Целью изобретения является улучшение технических и эксплуатационных параметров как способа, так и устройства, и упрощение в использовании. The aim of the invention is to improve the technical and operational parameters of both the method and the device, and simplification in use.
Указанная цель достигается в части способа тем, что в твердотельной структуре в качестве подложки, на которую нанесена металлическая пленка (непосредственно либо через промежуточный слой с большим, чем у металла, удельным сопротивлением), используют слой полупроводника, регистрируют электрический сигнал непосредственно в цепи между металлической пленкой и слоем полупроводника, при этом данный электрический сигнал используют в качестве сигнала отклика от упомянутой структуры. This goal is achieved in part of the method in that a semiconductor layer is used as a substrate on which a metal film is applied (directly or through an intermediate layer with a higher resistivity than metal), an electrical signal is recorded directly in the circuit between the metal film and a semiconductor layer, while this electrical signal is used as a response signal from the above structure.
При этом электрический сигнал регистрируют на склоне резонансной кривой зависимости величины упомянутого сигнала, по крайней мере, от одной из координат направления потока и/или частоты электромагнитного излучения, причем используют расходящийся или сходящийся, или коллимированный поток электромагнитного излучения, который может быть как монохроматическим, так и немонохроматическим, а также линейно поляризованным, а подачу этого потока могут осуществлять как непосредственно, так и через оптическое волокно. Для расширения диапазона измерений, изменяют одну из угловых координат направления потока электромагнитного излучения относительно указанной структуры либо частоту электромагнитного излучения. In this case, an electric signal is recorded on the slope of the resonance curve of the magnitude of the aforementioned signal from at least one of the coordinates of the flow direction and / or frequency of electromagnetic radiation, using a diverging or converging, or collimated flow of electromagnetic radiation, which can be either monochromatic or and non-monochromatic, as well as linearly polarized, and the flow of this stream can be carried out either directly or through an optical fiber. To expand the measurement range, one of the angular coordinates of the direction of the flow of electromagnetic radiation relative to the specified structure or the frequency of electromagnetic radiation is changed.
Указанная цель в части устройства достигается тем, что подложка выполнена из полупроводникового материала, а входы блока обработки информации связаны непосредственно с металлической пленкой и подложкой. Пленка и подложка граничат между собой непосредственно либо через промежуточный слой, удельное сопротивление которого превышает удельное сопротивление упомянутой металлической пленки, причем поверхности раздела в обоих случаях могут быть частично или полностью пространственно модулированными. This goal in terms of the device is achieved by the fact that the substrate is made of semiconductor material, and the inputs of the information processing unit are connected directly to the metal film and the substrate. The film and the substrate are directly adjacent to each other or through an intermediate layer, the resistivity of which exceeds the resistivity of the said metal film, and the interface in both cases can be partially or fully spatially modulated.
Источник электромагнитного излучения может быть выполнен с возможностью перестройки по частоте излучения и/или с возможностью изменения направления распространения электромагнитной волны от этого источника относительно положения упомянутой твердотельной структуры. The source of electromagnetic radiation can be configured to readjust the frequency of radiation and / or to change the direction of propagation of the electromagnetic wave from this source relative to the position of said solid state structure.
Для обеспечения возбуждения ПЭВ поверхность металлической пленки со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, пространственно модулирована, либо устройство снабжено средством (например призмой) для обеспечения полного внутреннего отражения от его выходной грани. Данная грань может быть установлена с зазором относительно поверхности металлической пленки таким образом, что в упомянутом зазоре расположен слой вещества, показатель преломления которого меньше, чем показатель преломления среды упомянутого средства. To ensure the SEW excitation, the surface of the metal film from the side opposite to the location of the semiconductor layer is spatially modulated, or the device is equipped with a means (for example, a prism) to ensure complete internal reflection from its output face. This face can be set with a gap relative to the surface of the metal film in such a way that a layer of a substance is located in the said gap, the refractive index of which is less than the refractive index of the medium of said medium.
Наряду с этим, устройство может быть снабжено средством для поляризации потока электромагнитного излучения и оптическим волокном для подачи потока электромагнитного излучения. In addition, the device may be equipped with means for polarizing the flow of electromagnetic radiation and an optical fiber for supplying a flow of electromagnetic radiation.
По сравнению с известными техническими решениями заявленное позволяет осуществлять измерение параметров внешнего воздействия на среду или объект без использования канала регистрации отраженного оптического сигнала, а непосредственно путем регистрации электрического сигнала, соответствующего величинам исследуемых параметров воздействия. Это позволяет не только расширить сферу применения способа и устройства, поскольку в данном случае существенно уменьшаются габариты устройства, но и значительно упростить работу, повысить точность и диапазон измерений, резко снизить стоимость способа и устройства. Устройство в целом (не считая блок регистрации) приобретает вид оптоэлектронной пары - гибридной схемы, части которой, излучаемая и приемная, реализуемы на базе массового промышленного микроэлектронного производства. Compared with the known technical solutions, the claimed one allows measurement of the parameters of the external influence on the medium or object without using the channel for recording the reflected optical signal, but directly by recording the electric signal corresponding to the values of the studied parameters of the effect. This allows not only to expand the scope of application of the method and device, since in this case the dimensions of the device are significantly reduced, but also significantly simplify the work, increase the accuracy and range of measurements, dramatically reduce the cost of the method and device. The device as a whole (apart from the registration unit) takes the form of an optoelectronic pair — a hybrid circuit, parts of which, emitted and received, are realized on the basis of mass industrial microelectronic production.
Как показал поиск, проведенный по научно-технической и патентной литературе, заявленная совокупность неизвестна, т. е. соответствует критерию "новизна". As shown by a search carried out on scientific, technical and patent literature, the claimed combination is unknown, that is, it meets the criterion of "novelty."
На фиг. 1 показана эталонная чувствительная среда, находящаяся в области распространения излучения и ПЭВ; на фиг. 2 - то же, в области распространения излучения и вне области ПЭВ; на фиг. 3 и 4 варианты устройства с решеточным возбуждением ПЭВ (на фиг. 3 - эталонная чувствительная среда находится в области распространения ПЭВ, на фиг. 4 - вне ее); на фиг. 5 и 6 возбуждение ПЭВ реализуется методом нарушенного полного внутреннего отражения от выходной грани призмы (на фиг. 5 такая призма образована самой эталонной чувствительной средой, и, следовательно, эта среда расположена в области ПЭВ; на фиг. 6 эталонная чувствительная среда расположена на пути излучения вне области ПЭВ); на фиг. 7 - пример контрольной зависимости. In FIG. 1 shows a reference sensitive medium located in the field of propagation of radiation and SEW; in FIG. 2 - the same, in the field of radiation propagation and outside the area of SEW; in FIG. 3 and 4 are variants of a device with lattice excitation of SEW (in Fig. 3, the reference sensitive medium is in the region of propagation of SEW, in Fig. 4 is outside it); in FIG. 5 and 6, the SEW excitation is realized by the method of impaired total internal reflection from the output face of the prism (in Fig. 5 such a prism is formed by the reference sensitive medium itself, and therefore this medium is located in the SEW region; in Fig. 6, the reference sensitive medium is located on the radiation path outside the area of SEW); in FIG. 7 is an example of a control dependence.
Заявленный способ основан на том, что исследуемому воздействию подвергают чувствительную среду 1, откликом которой на это воздействие является изменение параметров распространяющихся в ее объеме электромагнитных волн (излучения и/или ПЭВ). Мера такого изменения известным (эталонным образом соответствует величине параметров исследуемого воздействия. Примерами сред и воздействий такого рода могут служить: материал, изменяющий свою оптическую плотность или тензор диэлектрической проницаемости в зависимости от механического напряжения или теплового воздействия; слой электрооптического материала, изменяющего свой тензор диэлектрической проницаемости под действием электрического поля; слой магнитооптического материала, вращающего направление поляризации падающего излучения под действием магнитного поля и т. д. Таким образом, задача измерения параметров внешнего воздействия сводится к тестированию эталонной чувствительной среды 1. The claimed method is based on the fact that the
Для тестирования среды 1 применяют твердотельную структуру 2. Важнейшими ее элементами являются металлическая пленка 3 (например Ag, Au, Al, Cu) и полупроводниковая подложка 4 (например Si, GaAs, InP). Среду 1 располагают по отношению к структуре 2 со стороны пленки 3 так, чтобы обеспечить ее взаимодействие с ПЭВ на поверхности пленки 3 и/или с возбуждающим ПЭВ электромагнитным излучением. Пленка 3 и подложка 4 могут как непосредственно граничить между собой, так и быть разделенными тонким слоем промежуточного материала 5 (например, SiO2). Последний с удельным сопротивлением, превышающим удельное сопротивление пленки 3, иногда специально вводят для задания желаемого омического сопротивления перехода металл 3 - полупроводник 4. Поверхность раздела металла 3 и полупроводника 4 либо хотя бы одна из поверхностей слоя может быть пространственно модулированной (например периодически профилированной) для усиления рассеяния ПЭВ из металла 3 в полупроводник 4. К пленке 3 и подложке 4 через омический контакт 6 присоединяют электрические выводы 7 и 8 соответственно, посредством которых структуру 2 подключают к измерительной цепи как фотоэлемент либо как фотодиод. Регистрируемой величиной служит электрический (вольтовый) сигнал.A
Источником электромагнитного излучения 9 (как правило, видимого или инфракрасного диапазона) на поверхности пленки 3, обращенной к среде 1, возбуждают поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ). Возбуждение ПЭВ сопровождается резонансным усилением электрического сигнала. Регистрируя этот сигнал и сопоставляя его отличительные особенности (например, величину, положение максимума в зависимости от угла падения либо частоты излучения) с контрольными зависимостями от исследуемого параметра внешнего воздействия (определяющего некоторый параметр эталонной среды 1), определяют величину последнего. The source of electromagnetic radiation 9 (usually visible or infrared) on the surface of the
Для реализации указанного способа предлагается устройство, некоторые из возможных схем исполнения которого даны на фиг. 3 - 6. To implement this method, a device is proposed, some of the possible schemes of which are given in FIG. 3-6.
Устройства состоит из измерительной головки 10 и блока 11 обработки и индикации информации, соединенных проводами 7 и 8. The device consists of a
Измерительная головка выполнена по принципу оптоэлектронной пары - источника и приемника излучения. The measuring head is made on the principle of an optoelectronic pair — a source and a receiver of radiation.
В качестве источника 9 электромагнитного излучения предпочтительно применять встроенный полупроводниковый излучатель или выходной торец оптического волокна, что обеспечивает компактность измерительной головки. Источник 9 излучения может быть регулируемым по частоте и (или) по направлению излучения относительно структуры 2. На фиг. 3-6 схематически показана возможность углового перемещения и отсчета угла посредством угловой шкалы 12 с нониусом 13. Посредством сканирования по частоте и перемещения по угловой координате источника излучения могут осуществляться регулировка и настройка устройства, сниматься контрольные зависимости. Вместо угловой шкалы и нониуса целесообразно применять потенциометрический датчик углового положения источника 9 излучения. Он позволяет преобразовать значение угла в вольтовый сигнал и, к примеру, на двухкоординатном самописце или в памяти компьютера сразу получить зависимость информационного сигнала от угла при любом способе сканирования по углу. Для достижения высокой точности сканирования по углу, может применяться электромеханический сканер, управляемый от блока 11. На выходе излучения из источника 9 могут быть предусмотрены поляризатор и микрообъектив. Соответственно, целесообразно использовать потенциометрический датчик угла поворота поляризатора для снятия зависимости сигнала от направления поляризации. As the
В качестве приемника излучения используется описанная выше твердотельная структура 2. The
Для возбуждения ПЭВ решеточным методом на поверхности металлической пленки 3, не обращенной к полупроводнику 4, эта поверхность выполнена пространственно модулированной, например, в виде синусоидальной решетки (фиг. 3 и 4). Для возбуждения ПЭВ методом нарушенного полного внутреннего отражения в схемах фиг. 5 и 6 используется призма 14, которая жестко крепится относительно структуры 2 согласно стандартной методике Отто возбуждения ПЭВ, образуя зазор 15, заполненный воздухом или иным диэлектриком с меньшим, чем у призмы 14, показателем преломления. В схеме фиг. 5 роль призмы 14 выполняет расположенный на пути пучка излучения клиновидный слой эталонной среды 1, показатель преломления у которой заведомо больше, чем у вещества в зазоре 15. To excite the SEW by the lattice method on the surface of a
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
В схемах фиг. 4 и 6 изменение эталонной среды 1, подвергаемой исследуемому внешнему воздействию, приводит к изменению направления падения излучения на структуру 2 либо к изменению направления поляризации этого излучения. В схемах фиг. 3 и 5 исследуемое воздействие может изменять, кроме того, также и величину волнового вектора ПЭВ. Каждый из этих факторов изменяет характеристики сигнала, снимаемого с измерительной головки 10, соответственно внешнему воздействию. In the diagrams of FIG. 4 and 6, a change in the
В основе предлагаемого способа и принципа работы устройства лежат следующие физические явления. The basis of the proposed method and the principle of operation of the device are the following physical phenomena.
Как известно, ПЭВ на границе раздела сред, в частности металла 3 и диэлектрической среды 1, возбуждаются путем преобразования падающего p-поляризованного электромагнитного излучения от источника 9 посредством призмы 14 в условиях нарушенного полного внутреннего отражения от ее выходной грани Rnпризмы sinθ=Rпэв (1), или решетки на поверхности металла 3 Rnsin θ+ mG = Rпэв, (2) где R = = - волновой вектор падающего излучения частотой ω и длиной волны λв вакууме;
n - показатель преломления диэлектрической среды 1;
nпризмы - показатель преломления призмы 14;
θ - угол падения излучения на решетку или на выходную грань призмы;
m - целое число m≠0).As is known, SEWs at the interface between media, in
n is the refractive index of the
n prisms is the refractive index of the
θ is the angle of incidence of radiation on the grating or on the output face of the prism;
m is an integer m ≠ 0).
G = - обратный вектор решетки периода Λ; а
Rпэв= ±
(3) представляет собой волновой вектор ПЭВ. Здесь, в свою очередь, εMe' - действительная часть диэлектрической проницаемости металла 3 на частоте ω (обычно εMe'<0 |εMe'|>>1 ).G = is the inverse lattice vector of the period Λ; and
R pev = ±
(3) is a wave vector of SEW. Here, in turn, ε Me 'is the real part of the dielectric constant of
Равенства (1) и (2) описывают положение резонансного максимума эффективности преобразования (доли энергии излучения, преобразованной в энергию ПЭВ) в зависимости от R, n, и θ . При изменении какого-либо из этих параметров (например n изменяется положение резонанса (резонансные значения R и θ ); при изменении же данного параметра в пределах ширины резонансной кривой резко изменяется величина эффективности преобразования. Отсюда следует способ определения n, граничащей с пленкой металла 3 среды 1, а на его основе - и способ измерения параметров внешнего воздействия на среду 1, проявляющегося в изменении n. Equalities (1) and (2) describe the position of the resonance maximum of the conversion efficiency (the fraction of the radiation energy converted to SEW energy) depending on R, n, and θ. If one of these parameters changes (for example, n the resonance position changes (resonance values of R and θ); if this parameter changes within the width of the resonance curve, the conversion efficiency changes sharply. Hence the method for determining n adjacent to the
Во-первых, показатель преломления n среды 1 и соответственно величину параметра внешнего воздействия можно определять на основе измерения значений θ и ω , при которых наблюдается резонанс эффективности преобразования излучения в ПЭВ на границе среда 1 - металл 32. Сопоставляя эти значения с расчетными или экспериментальными контрольными зависимостями резонансных значений θ и ω от параметра внешнего воздействия на среду 1, можно найти значение последнего. Firstly, the refractive index n of
Во-вторых, можно выставить θ и ω так, чтобы величина эффективности преобразования соответствовала склону резонансной кривой для среды 1 с известным значением n= nо и соответственно для некоторой известной (начальной) величины внешнего воздействия на нее. Измерения параметров воздействия ведутся относительно такой начальной величины на основе измерения разности соответствующих значений эффективности преобразования в пределах резонансной кривой и сопоставления величины этой разности с контрольной зависимостью.Secondly, it is possible to set θ and ω so that the value of the conversion efficiency corresponds to the slope of the resonance curve for
На практике удобнее измерять не саму эффективность преобразования, а какой-либо зависящий от нее сигнал. In practice, it is more convenient to measure not the conversion efficiency itself, but some kind of signal that depends on it.
Такой сигнал легко получить, если металлическая пленка 3 совмещена с подложкой 4 из полупроводникового материала. В этом случае, величина эффективности преобразования излучения в ПЭВ определяет величину электрического сигнала, снимаемого с выводов 7 и 8, присоединенных непосредственно к пленке 3 и подложке 4. При этом пленка 3 и подложка 4 образуют структуру 2, аналогичную обычному фотоприемнику Шоттки. Структура 2, как и фотоприемник, может подключаться через указанные выводы 7 и 8 в качестве фотодиода либо фотоэлемента. Отличается же она тем, что сигнал с нее имеет резонансный максимум в условиях возбуждения ПЭВ на границе раздела среда 1 - металл 3. Such a signal is easily obtained if the
Природа связи между ПЭВ и электрическим сигналом здесь может быть различной. Механизм, основанный на поглощении ПЭВ в пленке металла 3, генерации в ней горячих носителей заряда и эмиссии последних в полупроводник 4 через барьер Шоттки, известен. Такие носители увлекаются полем барьера Шоттки и обусловливают электрический отклик структуры 2. При этом энергия кванта излучения была меньше ширины запрещенной зоны полупроводника. Отмечалось, что излучение для возбуждения ПЭВ может подаваться на пленку металла как через воздух, так и через полупроводник. В случае, когда энергия кванта излучения больше ширины запрещенной зоны полупроводника 4, возможно образование электронно-дырочных пар в полупроводнике 4 либо непосредственно за счет проникновения ПЭВ в полупроводник 4, либо за счет обратного преобразования ПЭВ в излучение на границе металл 3 - полупроводник 4 и поглощения последнего полупроводником. Электронно-дырочные пары разделяются полем барьера Шоттки и обусловливают фотоотклик, как в обычном фотоприемнике. Очевидно, излучение для возбуждения ПЭВ здесь может подаваться только со стороны, противоположной полупроводнику. The nature of the connection between the SEW and the electrical signal here may be different. A mechanism based on the absorption of SEWs in a
Таким образом, величину параметра внешнего воздействия на среду 1, влияющего на ее показатель преломления, можно определить, регистрируя и сравнивая с контрольной величиной положение максимума фотоэлектрического сигнала, снимаемого со структуры 2 металл 3 - полупроводник 4 в условиях возбуждения ПЭВ, при сканировании по угловой координате направления излучения относительно структуры 2 либо по частоте излучения. Для измерений в пределах ширины резонансной кривой предпочтительнее иной режим работы. Если направление и частоту излучения выбрать на склоне резонансной кривой соответствующей зависимости фотоэлектрического сигнала, то структура 2 будет работать как непосредственный преобразователь величины параметра внешнего воздействия в фотоэлектрический сигнал. Соответственно, регистрируя сигнал и используя предварительно снятую контрольную зависимость его от параметра внешнего воздействия, можно измерить величину последнего. В этом режиме чувствительность к внешнему воздействию пропорциональна крутизне склона резонансной кривой. Ширина же динамического диапазона по величине этого воздействия, наоборот, пропорциональна ширине резонансной кривой. В ширину резонансной кривой вносят вклад расходимость излучения и спектральная ширина источника 9 излучения. Очевидно, для достижения максимальной чувствительности следует использовать монохроматическое и коллимированное излучение. Для расширения же динамического диапазона можно использовать расходящееся (сходящееся) либо спектрально уширенное излучение. Thus, the value of the parameter of the external influence on the
В рамках рассмотренного принципа может применяться также оптически анизотропная среда 1. В таком случае условия измерения должны выбирать так, чтобы внешнее воздействие влияло на те компоненты тензора диэлектрической проницаемости среды 1, которые описывают распространение в среде 1 ПЭВ и излучения соответствующей поляризации. Within the framework of the principle considered, optically
Для измерения параметров внешнего воздействия на эталонную чувствительную среду 1 предлагаемым способом не обязательно, чтобы среда 1 непосредственно граничила с пленкой металла 3. На поверхность металла 3 может быть нанесен слой 16 (см. фиг. 1-4) для вспомогательных целей, например, улучшения адгезии, защиты пленки 3 от возможных химических воздействий и пр. Волновой вектор ПЭВ в такой многослойной системе уже не описывается простым выражением (3). Зависимость Rпэв от n среды 1 и соответственно от внешнего воздействия для не слишком большой толщины слоя 16 продолжает иметь место, хотя и становится слабее по мере ее возрастания.To measure the parameters of the external influence on the reference
Среда 1 не обязательно должна быть смещена со структурой 2. Свойства среды 1, удаленной от структуры 2 на расстояние, превышающее глубину проникновения ПЭВ, и подвергаемой внешнему воздействию, могут влиять на возбуждение ПЭВ через направление проходящего через нее излучения. Очевидно, слой среды 1 на пути пучка излучения должен иметь форму клина, если показатель преломления в пространстве до и после этого слоя один и тот же. The
Во всех случаях, все вышесказанное относительно способа измерения и принципа работы устройства продолжает иметь силу. In all cases, all of the above regarding the measurement method and the principle of operation of the device continues to be valid.
В основе предлагаемого принципа измерения может лежать зависимость фотоэлектрического сигнала, являющегося откликом на возбуждение ПЭВ, не только от показателя преломления, но и от поляризационных характеристик среды 1, изменяющихся эталонным образом под влиянием внешнего воздействия. Так, если величина вращения плоскости поляризации излучения при прохождении его через среду 1 зависит от измеряемого параметра внешнего воздействия (пример - фарадеевское вращение плоскости поляризации в магнитном поле), то составляющая вектора поляризации излучения, которая вносит вклад в возбуждение ПЭВ, и, следовательно, величина сигнала также зависят от измеряемого параметра. Эта зависимость, в отличие от тех, что основаны на изменении преломляющих свойств среды 1, не является резонансной, а имеет вид cos2 ( Φ - Φo) , где Φ - величина угла вращения направления поляризации. Для регистрации такой зависимости необходимо применение линейно поляризационного излучения.The proposed measurement principle may be based on the dependence of the photoelectric signal, which is a response to the SEW excitation, not only on the refractive index, but also on the polarization characteristics of
Конкретный пример применения предлагаемого способа. Измерялась величина составляющей индукции магнитного поля катушки по схеме фиг. 2. В качестве эталонной тестируемой среды 1 применялся полумагнитный полупроводник Cd0,55Mn0,45Te, характеризующийся гигантским фарадеевским вращением. Плоскопараллельная пластина Cd0,55Mn0,45Te в форме диска толщиной 5,8 мм помещалась внутри катушки перпендикулярно ее оси. Излучение He-Ne лазера ЛГН-203 (длина волны 0,6328 мкм, мода ТЕМоо, расходимость 0,65о, мощность 1,65 мВт) направлялось вдоль оси катушки и проходило сквозь пластину. Направление поляризации падающего на пластину излучения задавалось поляризатором, Излучение принималось периодически профилированной структурой 2, образованной нанесением тонкой пленки 3 Ag на подложку 4 n-GaAs с периодом синусоидального гофра 0,46 мкм. Структура 2 размещалась в оправе, позволяющей регулировать угловое положение структуры 2 относительно направления падения излучения, причем плоскость падения излучения была перпендикулярна направлению гофра. На структуру 2 подавалось отрицательное смещение величиной 1,4 В ("+" на n=GaAs, "-" на Ag) от источника питания ВИП-010. Сигнал с нагрузки 40 кОм регистрировался на экране цифрового осциллографа С9-8 с входным сопротивлением 1 МОм. Катушка питалась от источника постоянного тока Б5-49. При снятии контрольной зависимости использовался стандартный тесламетр на основе датчика Холла для измерения магнитной индукции в направлении, перпендикулярном плоскости его щупа.A specific example of the application of the proposed method. The magnitude of the induction component of the magnetic field of the coil was measured according to the circuit of FIG. 2. As a
Для проведения измерений угол падения излучения на твердотельную структуру 2 был выставлен вблизи резонансного максимума фотоэлектрического сигала. Направление поляризации фиксировалось и составляло угол около 45о с плоскостью падения излучения. Контрольная зависимость сигнала отклика от магнитного поля катушки приведена на фиг. 7. Зависимость представляет собой участок синусоиды. Несимметричность ее положения относительно нуля по оси B (синусоида сдвинута примерно на 10 mT влево) соответствует отстройке направления поляризации излучения от 45о. Очевидно, заданием величины этой отстройки можно сдвигать линейный участок контрольной зависимости в диапазон интересующих значений B.For measurements, the angle of incidence of radiation on the
При помещении измерительного устройства в область тестируемого магнитного поля был зарегистрирован сигнал V=40±0,1 mV. По контрольной зависимости фиг. 7 была определена величина продольной составляющей магнитного поля B=5,8 ±0,02 mT. When the measuring device was placed in the region of the tested magnetic field, a signal V = 40 ± 0.1 mV was recorded. According to the control dependence of FIG. 7, the longitudinal component of the magnetic field was determined B = 5.8 ± 0.02 mT.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет проводить измерения параметров внешнего воздействия с высокой точностью без явных ограничений на ширину динамического диапазона. Предлагаемый способ отличается от других, основанных на ПЭВ резонансе тем, что не подразумевает сложных оптических схем с необходимостью юстировки двух пучков излучения. Более того, данный способ позволяет реализовать режим непосредственного преобразования измеряемой величины в электрический сигнал. Обеспечивается возможность быстрого проведения измерений не только в лабораторных, но и в бытовых, производственных и полевых условиях. Измерения могут проводиться недорогими средствами, производство которых реализуемо на базе промышленной технологии микроэлектроники. Thus, the use of the proposed method allows to measure the parameters of the external influence with high accuracy without obvious restrictions on the width of the dynamic range. The proposed method differs from others based on the SEW resonance in that it does not imply complex optical schemes with the need to align two radiation beams. Moreover, this method allows you to implement a direct conversion of the measured value into an electrical signal. It provides the ability to quickly take measurements not only in the laboratory, but also in domestic, industrial and field conditions. Measurements can be carried out by inexpensive means, the production of which is implemented on the basis of industrial microelectronics technology.
Claims (22)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93012076A RU2021590C1 (en) | 1993-03-31 | 1993-03-31 | Method of measurement of parameters of outside action on medium or object and device to implement it |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU93012076A RU2021590C1 (en) | 1993-03-31 | 1993-03-31 | Method of measurement of parameters of outside action on medium or object and device to implement it |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021590C1 true RU2021590C1 (en) | 1994-10-15 |
RU93012076A RU93012076A (en) | 1998-02-20 |
Family
ID=20138266
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU93012076A RU2021590C1 (en) | 1993-03-31 | 1993-03-31 | Method of measurement of parameters of outside action on medium or object and device to implement it |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2021590C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2492450C2 (en) * | 2008-01-03 | 2013-09-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Frustrated total internal reflection (ftir)-based biosensor system and method of detecting ftir-based biosensor signal |
-
1993
- 1993-03-31 RU RU93012076A patent/RU2021590C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Заявка РСТ WO N 89/07252, кл. G 01N 33/543, 1989. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2492450C2 (en) * | 2008-01-03 | 2013-09-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Frustrated total internal reflection (ftir)-based biosensor system and method of detecting ftir-based biosensor signal |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Vavassori | Polarization modulation technique for magneto-optical quantitative vector magnetometry | |
JP3288672B2 (en) | Equipment for measuring physical properties of samples | |
US5442448A (en) | Device for the laterally resolved investigation of a laterally heterogeneous ultrathin object layer | |
US6934068B2 (en) | Magnetic field and electrical current visualization system | |
JPH04506998A (en) | optical equipment | |
CN101113887A (en) | Surface plasma resonance measurement mechanism and method thereof | |
Köhring et al. | Tuning fork enhanced interferometric photoacoustic spectroscopy: a new method for trace gas analysis | |
JP4147487B2 (en) | Physical property measuring device using terahertz electromagnetic wave | |
JP3288671B2 (en) | Equipment for measuring physical properties of samples | |
CN113567351B (en) | Complex magneto-optical angle measuring system and method based on quantum weak measurement | |
JPS60143420A (en) | Inspecting method of magnetic head | |
EP0872707B1 (en) | Apparatus for measuring exchange force | |
JP3288670B2 (en) | Equipment for measuring physical properties of samples | |
RU2021590C1 (en) | Method of measurement of parameters of outside action on medium or object and device to implement it | |
US20060146328A1 (en) | Magneto-optical imaging method and device | |
US5757477A (en) | Real time monitoring of medium parameters | |
US5633492A (en) | Real time monitoring of changes in objects or media | |
JPH0949851A (en) | Method for drawing physical characteristic of workpiece | |
CN100538338C (en) | The analytical approach of the part in the sample and the device of the part in the analytical sample | |
Di Sante et al. | Multipoint optical fiber vibrometer | |
JP2006258641A (en) | Optical measuring method | |
RU2021589C1 (en) | Method of measurement of parameters of state of medium | |
RU2021591C1 (en) | Device for measurement of biological, biochemical, chemical and physical parameters of medium | |
RU2725650C1 (en) | Constant magnetic field sensor based on a magnetoplasmon crystal | |
RU2423684C2 (en) | Optical measurement method for material |