RU2491533C1 - Method to determine depth of penetration of field of terahertz surface plasmons into environment - Google Patents
Method to determine depth of penetration of field of terahertz surface plasmons into environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2491533C1 RU2491533C1 RU2012108258/28A RU2012108258A RU2491533C1 RU 2491533 C1 RU2491533 C1 RU 2491533C1 RU 2012108258/28 A RU2012108258/28 A RU 2012108258/28A RU 2012108258 A RU2012108258 A RU 2012108258A RU 2491533 C1 RU2491533 C1 RU 2491533C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- field
- wave
- plane
- surface plasmons
- line
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическим методам контроля поверхности металлов и полупроводников в терагерцовом (ТГц) диапазоне спектра и может найти применение в технологических процессах для контроля толщины и однородности тонкослойных покрытий металлизированных изделий и полупроводниковых подложек, в методах по обнаружению неоднородностей (на) проводящей поверхности, в инфракрасной (ИК) рефрактометрии металлов для определения их диэлектрической проницаемости, в ИК сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике.The invention relates to optical methods for monitoring the surface of metals and semiconductors in the terahertz (THz) range of the spectrum and can be used in technological processes for controlling the thickness and uniformity of thin-layer coatings of metallized products and semiconductor substrates, in methods for detecting inhomogeneities of (on) a conductive surface, in infrared (IR) refractometry of metals to determine their dielectric constant, in IR sensor devices and instrumentation.
Поверхностные плазмоны (ПП) - представляют собой разновидность поверхностных электромагнитных волн, направляемых проводящей поверхностью, и широко используются для ее контроля и 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.]. Одной из важнейших характеристик ПП, зависящих от оптических свойств поверхности и ее покрытия, является глубина проникновения поля ПП в окружающую среду (в частности, воздух или вакуум)
Известен способ определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, включающий измерение интенсивности поля вдоль нормали к треку ПП в плоскости падения излучения, генерирующего ПП, внесение в поле ПП острия оптоволоконного зонда, соединенного с фото детектором, подключенным к гальванометру, измерение зависимости интенсивности светового сигнала, поступающего на фотодетектор, от расстояния, отделяющего острие от поверхности, направляющей ПП, и расчет значения δ 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 возмущение зондом поля ПП, что искажает результаты измерений, и большая продолжительность процедуры зондирования.There is a method of determining the penetration depth of the THz field of the PP in the environment δ, including measuring the field intensity along the normal to the track of the PP in the plane of incidence of the radiation generating the PP, introducing into the PP field the tip of a fiber optic probe connected to a photo detector connected to a galvanometer, measuring the intensity dependence the light signal entering the photodetector from the distance separating the tip from the surface guiding the PP and calculating the value of δ from the measurement results [Mueckstein R., Mitrofanov O. Imaging of terahertz surface pla smon waves excited on a gold surface by a focused beam // Optics Express, 2011, v.19, No.4, p.3212-3217]. The main disadvantages of the method are the perturbation of the probe field PP, which distorts the measurement results, and the long duration of the sensing procedure.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, включающий измерение интенсивности поля вдоль нормали к треку ПП в плоскости падения излучения, генерирующего ПП, внесение в поле подключенного к гальванометру фотоприемника, снабженного щелевой диафрагмой, ориентированной параллельно направляющей ПП поверхности и перпендикулярно треку, измерение на торце образца зависимости интенсивности поля от расстояния, отделяющего щель от поверхности, и расчет значения δ по результатам измерений [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.К., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v.98, 171912].The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is a method for determining the penetration depth of the THz PP field into the environment δ, including measuring the field intensity along the normal to the PP track in the plane of incidence of the radiation generating the PP, introducing into the field a photodetector connected to a galvanometer equipped with a slot a diaphragm oriented parallel to the guide of the PP surface and perpendicular to the track, measuring at the end of the sample the dependence of the field intensity on the distance separating a gap from the surface, and the calculation values from the measurements δ [Gerasimov V.V., Knyazev VA, Nikitin AK, Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, 171912].
Основными недостатками способа являются искажение поля ПП отраженным от диафрагмы излучением, невозможность выполнения измерений в произвольной точке трека и их большая продолжительность.The main disadvantages of the method are the distortion of the PP field reflected from the diaphragm radiation, the inability to perform measurements at an arbitrary point on the track and their long duration.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является уменьшение времени измерений.The technical result to which the invention is directed is to reduce the measurement time.
Технический результат достигается тем, что в известном способе определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, включающем измерение интенсивности поля ПП в плоскости падения излучения, генерирующего пучок лучей ПП, и расчет значения δ по результатам измерений, согласно изобретению, ПП преобразуют в объемную волну на линии фронта, принадлежащей выбранной плоскости поперечного сечения пучка, фокусируют волну в линию, лежащую в плоскости падения, и измеряют распределение интенсивности излучения на этой линии и угол наклона лучей волны к поверхности, направляющей ПП.The technical result is achieved by the fact that in the known method for determining the penetration depth of the THz PP field into the environment δ, including measuring the intensity of the PP field in the plane of incidence of the radiation generating the PP beam, and calculating the δ value from the measurement results, according to the invention, the PP is converted into volumetric wave on the front line belonging to the selected plane of the beam cross section, focus the wave in a line lying in the plane of incidence, and measure the distribution of radiation intensity on this line and the angle of incidence the bosom of the rays of the wave to the surface directing the PP.
Уменьшение времени измерений достигается в результате одновременного измерения линейкой фотодетекторов интенсивности поля ПП в ряде точек окружающей среды над контролируемой точкой трека.The reduction of the measurement time is achieved as a result of the simultaneous measurement of the PP field intensity by a line of photodetectors at a number of environmental points above the controlled track point.
Изобретение поясняется чертежами: на рис. 1 - схема устройства, реализующего способ; на рис. 2 - зависимость интенсивности поля ПП в рассматриваемом примере от расстояния, отделяющего данную точку поля от поверхности образца.The invention is illustrated by drawings: in Fig. 1 is a diagram of a device that implements the method; in fig. 2 - dependence of the PP field intensity in the considered example on the distance separating a given point of the field from the sample surface.
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 - призма с металлизированным плоским основанием, ориентированным параллельно поверхности образца 5; 7 - поглощающий плоский экран, ориентированный перпендикулярно плоскости падения излучения и край которого удален от образца 5 на расстояние в несколько миллиметров; 8 - наклонное подвижное плоское зеркало, преобразующее ПП в объемную волну; 9 - линза с цилиндрической фокусирующей поверхностью, 10 - линейка фото детекторов, размещенная в плоскости падения и находящаяся в фокусе линзы 9; 11 - набор гальванометров, раздельно подключенных к детекторам линейки 10; 12 - устройство обработки информации; 13 - подвижная платформа с установленными на ней элементами 8, 9 и 10.The proposed method can be implemented using a device, the circuit of which is shown in Fig. 1, where the numbers denote: 1 - source of monochromatic radiation; 2 - polarizer; 3 - a flat mirror; 4 - concave mirror with a cylindrical reflective surface; 5 - conductive sample; 6 - prism with a metallized flat base oriented parallel to the surface of
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
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. Дифрагируя на крае призмы 6, моды с некоторой эффективностью преобразуются в ПП и порождают веер паразитных объемных волн, поглощаемых экраном 7 [Gong M., Jeon T.-L, Grischkowsky D. THz surface wave collapse on coated metal surfaces // Optics Express, 2009, v.1 7(19), 17088]. Пучок ПП проходит под экраном 8 и распространяется в плоскости падения по поверхности образца 5. Дойдя до передней кромки зеркала 8, перпендикулярной волновому фронту пучка, ПП преобразуются в объемную волну (OB). Преобразование ПП в объемное излучение происходит в результате сообщения ПП зеркалом встречного (по отношению к направлению распространения ПП) отрицательного импульса. Что обеспечивает выполнение неравенства kПП<ko (где kПП и ko - модули волновых векторов ПП и плоской волны в окружающей среде, соответственно), необходимого для трансформации ПП в объемную волну [Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - M.: Наука, 1985. - 525 с.]. Отметим, что распределение интенсивности в ОВ, распространяющейся параллельно поверхности образца 5, идентично распределению интенсивности поля ПП на кромке зеркала 8. Эта OB, направляется зеркалом 8 через линзу 9 на линейку 10. Электрические сигналы с выходов детекторов линейки 10 измеряются соответствующими гальванометрами набора 11 и поступают на устройство 12, которое нормирует их на максимальный сигнал и, с учетом угла наклона лучей ОВ к поверхности образца 5, вычисляет искомое значение глубины проникновения поля ПП в окружающую среду δ. Перемещая платформу 13 вдоль направления трека ТГц ПП аналогичным образом можно определить величину δ в любой точке трека (в случае наличия на поверхности образца 5 неоднородности, значение δ может соответствующим образом изменяться).The radiation of the
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения величины δ для ТГц ПП, генерируемых излучением лазера на свободных электронах с длиной волны λ=130 мкм [Knyazev В.A., Kulipanov G.N., Vinokurov N.A.. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. & Techn., 2010, v.21, 054017] на плоской поверхности размещенного в воздухе золотого образца длиной 20 см. В этом случае комплексный показатель преломления ПП, рассчитанный с использованием дисперсионного уравнения ПП для двухслойной структуры и модели Друде для диэлектрической проницаемости золота [Ordal М.А., Bell R.J., Alexander R.W., Long L.L., and Querry M.R. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Applied Optics, 1985, v. 24, No.24, p. 4493-4499], равен κ=1,000273+i·5,6·10-7, что соответствует длине распространения ПП, равной 180 см. Угол наклона зеркала 8 к поверхности образца 5, положим равным 45°, что обеспечивает распространение OB, порожденной ПП на передней кромке зеркала 8, перпендикулярно к треку ПП. В качестве фотоприемного устройства выберем болометрическую матрицу, состоящую из 320×240 пикселей, размером 51×51 мкм каждый [Демьяненко М.А., Есаев Д.Г., Овсюк В.Н., Фомин Б.И., Асеев А.Л., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н., Винокуров Н.А. Матричные микроболометрические приемники для ИК и ТГц диапазонов // Оптический журнал, 2009, т. 76, №12, с.5-11]. На рис. 2 приведена зависимость нормированной интенсивности поля ПП I/I0 (где I0 - интенсивность поля ПП на поверхности) в рассматриваемом примере от расстояния г, отделяющего данную точку поля от поверхности образца, с учетом искажения распределения I/I0(z) вследствие наклона зеркала 8 на 45°. Из этой зависимости следует, что величина δ в рассматриваемом примере равна 15,3 мм. Поле ПП может быть полностью (в пределах величины δ) практически мгновенно зарегистрировано столбцом матрицы, при условии размещения ее стороной в 320 пикселей параллельно плоскости падения, а значение δ - количественно оценено устройством обработки информации с точностью до 0,3% (отношение размера пикселя к δ).As an example of the application of the proposed method, we consider the possibility of determining the value of δ for THz PP generated by free-electron laser radiation with a wavelength of λ = 130 μm [Knyazev V.A., Kulipanov GN, Vinokurov NA. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. & Techn., 2010, v.21, 054017] on a flat surface of a 20 cm long gold sample placed in air. In this case, the complex refractive index of PP calculated using the dispersion equation of the PP for a two-layer structure and the Drude model for gold dielectric constant [Ordal M.A., Bell RJ, Alexander RW, Long LL, and Querry MR Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag , Ti, V, and W // Applied Optics, 1985, v. 24, No.24, p. 4493-4499], is equal to κ = 1,000273 + i · 5,6 · 10 -7 , which corresponds to the propagation length of PP equal to 180 cm. We set the angle of inclination of mirror 8 to the surface of
Таким образом, приведенный пример наглядно демонстрирует возможность практически мгновенного определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, что и обеспечивает достижение поставленной в изобретении цели - сокращение времени измерений величины δ.Thus, the given example clearly demonstrates the possibility of almost instantly determining the depth of penetration of the THz PP field into the environment δ, which ensures the achievement of the goal of the invention — reducing the measurement time of the value δ.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012108258/28A RU2491533C1 (en) | 2012-03-05 | 2012-03-05 | Method to determine depth of penetration of field of terahertz surface plasmons into environment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012108258/28A RU2491533C1 (en) | 2012-03-05 | 2012-03-05 | Method to determine depth of penetration of field of terahertz surface plasmons into environment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2491533C1 true RU2491533C1 (en) | 2013-08-27 |
Family
ID=49163892
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012108258/28A RU2491533C1 (en) | 2012-03-05 | 2012-03-05 | Method to determine depth of penetration of field of terahertz surface plasmons into environment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2491533C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2629909C1 (en) * | 2016-11-17 | 2017-09-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Static device for determining distribution of field intensity of infrared surface electromagnetic wave along its track |
RU2786377C1 (en) * | 2022-04-25 | 2022-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Method for determining the dielectric permittivity of metals in the terahertz range |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1308830A1 (en) * | 1985-07-04 | 1987-05-07 | Центральное Проектно-Конструкторское И Технологическое Бюро Научного Приборостроения Ан Узсср | Device for checking thickness of thin film |
EP0439881A1 (en) * | 1988-07-13 | 1991-08-07 | Vti, Inc. | Method and apparatus for nondestructively measuring micro defects in materials |
US6956651B2 (en) * | 2002-09-07 | 2005-10-18 | Hilary S. Lackritz | Bioanalysis systems including optical integrated circuit |
RU2419779C2 (en) * | 2009-07-07 | 2011-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Method of determining refractivity of ir-range surface electromagnetic wave |
-
2012
- 2012-03-05 RU RU2012108258/28A patent/RU2491533C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1308830A1 (en) * | 1985-07-04 | 1987-05-07 | Центральное Проектно-Конструкторское И Технологическое Бюро Научного Приборостроения Ан Узсср | Device for checking thickness of thin film |
EP0439881A1 (en) * | 1988-07-13 | 1991-08-07 | Vti, Inc. | Method and apparatus for nondestructively measuring micro defects in materials |
US6956651B2 (en) * | 2002-09-07 | 2005-10-18 | Hilary S. Lackritz | Bioanalysis systems including optical integrated circuit |
RU2419779C2 (en) * | 2009-07-07 | 2011-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Method of determining refractivity of ir-range surface electromagnetic wave |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
GERASIMOV V.V. et al. A way to determine the permittivity of metalized surfaces at terahertz frequencies. Applied Physics Letters, 2011, v.98, 171912. MUECKSTEIN R. et al. Imaging of terahertz surface Plasmon waves excited on a gold surface by a focused beam. Optics Express, 2011, v. 19, N4, p.3212-3 217. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2629909C1 (en) * | 2016-11-17 | 2017-09-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Static device for determining distribution of field intensity of infrared surface electromagnetic wave along its track |
RU2786377C1 (en) * | 2022-04-25 | 2022-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Method for determining the dielectric permittivity of metals in the terahertz range |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106441580B (en) | The incident terahertz time-domain spectroscopy instrument for surveying transmission and reflection simultaneously of variable-angle | |
CN107132029B (en) | Method for simultaneously measuring reflectivity, transmittance, scattering loss and absorption loss of high-reflection/high-transmission optical element | |
CN105333841B (en) | Metal Surface Roughness detection method based on reflection-type terahertz time-domain spectroscopy | |
CN105699317A (en) | Terahertz time-domain spectrograph capable of entering at fixed angle and simultaneously detecting transmission and reflection | |
WO2016084322A1 (en) | Measuring apparatus and method for measuring terahertz pulses | |
Bozec et al. | Localized photothermal infrared spectroscopy using a proximal probe | |
CN109115690A (en) | Real-time polarization sensitive terahertz time-domain ellipsometer and optical constant measuring method | |
JP2008076159A (en) | Method and device for inspecting internal defect | |
CN108088810B (en) | Humidity sensor based on terahertz plasma enhancement effect and system thereof | |
RU2512659C2 (en) | Method to measure length of distribution of infra-red superficial plasmons on real surface | |
RU2645008C1 (en) | Device for measuring the length of infrared surface of the electromagnetic wave | |
RU2522775C1 (en) | Method for passive location of edges of metal rectangular parallelepiped in infrared radiation | |
US8339599B2 (en) | Measuring arrangement for an optical spectrometer | |
US10935368B2 (en) | Scanning caliper and basis weight sensor for sheet products using terahertz | |
RU2491533C1 (en) | Method to determine depth of penetration of field of terahertz surface plasmons into environment | |
US6831747B2 (en) | Spectrometry and filtering with high rejection of stray light | |
US20060164638A1 (en) | Near-field film-thickness measurement apparatus | |
CN208847653U (en) | Real-time polarization sensitive terahertz time-domain ellipsometer | |
RU2660765C1 (en) | Method of noncontact measurement of temperature in situ | |
WO2004113885A1 (en) | Optical waveform measurement device and measurement method thereof, complex refractive index measurement device and measurement method thereof, and computer program recording medium containing the program | |
RU2681427C1 (en) | Device for measuring the length of infrared surface of the electromagnetic wave | |
Bai et al. | Measuring the speed of a surface plasmon | |
RU2709600C1 (en) | Michelson interferometer for determination of refraction index of surface plasmon-polaritons of terahertz range | |
JP2004245674A (en) | Radiation temperature measuring apparatus | |
RU2703772C1 (en) | Apparatus for measuring the propagation length of an infrared surface electromagnetic wave |