RU2589465C1 - Method of increasing propagation length of infrared monochromatic surface electromagnetic waves on flat metal surface - Google Patents

Method of increasing propagation length of infrared monochromatic surface electromagnetic waves on flat metal surface Download PDF

Info

Publication number
RU2589465C1
RU2589465C1 RU2015111991/28A RU2015111991A RU2589465C1 RU 2589465 C1 RU2589465 C1 RU 2589465C1 RU 2015111991/28 A RU2015111991/28 A RU 2015111991/28A RU 2015111991 A RU2015111991 A RU 2015111991A RU 2589465 C1 RU2589465 C1 RU 2589465C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sew
layer
electromagnetic waves
flat metal
propagation length
Prior art date
Application number
RU2015111991/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Константинович Никитин
Борис Александрович Князев
Василий Валерьевич Герасимов
Ирина Михайловна Никитина
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН)
Priority to RU2015111991/28A priority Critical patent/RU2589465C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2589465C1 publication Critical patent/RU2589465C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: information technology.
SUBSTANCE: invention relates to information-communication technologies, particularly, to increase in length of propagation of infrared monochromatic surface electromagnetic waves (SEW) along flat metal surface. Method includes application of non-absorbing dielectric layer on surface. Before layer application direction of maximum beam pattern of bulk electromagnetic waves (BEW) emitted by SEW from their track is determined. Layer thickness and refraction index of its material is selected so that presence of layer provides increment of real part of module of SEW vector by value
Figure 00000017
where ko = 2π/λ - wave number BEW in surrounding surface medium; λ is wavelength of radiation in environment; φMax is angle of deviation of maximum beam pattern from plane surface.
EFFECT: technical result consists in increase of propagation length (SEW) and providing its protection against external effects.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области информационно-коммуникационных технологий, в которых сбор, обработка и перенос информации осуществляется инфракрасными (ИК) поверхностными электромагнитными волнами (ПЭВ), в частности поверхностными плазмонами, направляемыми плоской металлической поверхностью, и может найти применение в оптических каналах связи, интерферометрах, спектрометрах и других устройствах сбора, обработки и передачи информации с использованием ИК ПЭВ.The invention relates to the field of information and communication technologies, in which the collection, processing and transfer of information is carried out by infrared (IR) surface electromagnetic waves (SEW), in particular surface plasmons directed by a flat metal surface, and can be used in optical communication channels, interferometers, spectrometers and other devices for the collection, processing and transmission of information using IR PEV.

Основными областями применения ИК ПЭВ являются оптические методы исследования поверхности твердого тела (спектроскопия, микроскопия, эллипсометрия, рефрактометрия), а также - устройства сенсорного и информационно-коммуникационного назначения [Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer Science + Business Media LLC, 2007. p. 89-106]. Основным преимуществом применения ИК поверхностных плазмонов в каналах связи и устройствах обработки информации является их большая фазовая скорость, величина которой лишь немного меньше скорости света в окружающей среде. Более широкому распространению плазмонных линий передачи информации препятствует тот факт, что длина распространения ИК ПЭВ по реальной металлической поверхности, хотя и достигает 103 длин волн (к), все же оказывается примерно на два порядка меньше значения, рассчитанного с использованием модели Друде для диэлектрической проницаемости металла [Ordal М.А., Long L.L., Bell R.J., et al. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared // Applied Optics, 1985, v.22, Is.7, p. 1099-1120]. Основная причина этого явления - радиационные потери ПЭВ на неоднородностях (шероховатостях и инородных включениях) реальной поверхности металла [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., et al. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // JOSA (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190]. Заявляемое изобретение описывает способ понижения таких потерь путем нанесения на поверхность слоя непоглощающего диэлектрика субволновой толщины.The main applications of IR PEV are optical methods for studying the surface of a solid (spectroscopy, microscopy, ellipsometry, refractometry), as well as devices for sensory and information and communication purposes [Maier SA Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer Science + Business Media LLC, 2007 . p. 89-106]. The main advantage of using IR surface plasmons in communication channels and information processing devices is their high phase velocity, the magnitude of which is only slightly less than the speed of light in the environment. The wider distribution of plasmon information lines is hindered by the fact that the propagation length of IR SEWs over a real metal surface, although reaching 10 3 wavelengths (k), is nevertheless approximately two orders of magnitude smaller than the value calculated using the Drude model for permittivity metal [Ordal M.A., Long LL, Bell RJ, et al. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared // Applied Optics, 1985, v.22, Is.7, p. 1099-1120]. The main reason for this phenomenon is the radiation losses of surface electromagnetic waves on the inhomogeneities (roughness and foreign inclusions) of the real metal surface [Gerasimov VV, Knyazev VA, Kotelnikov IA, Nikitin AK, et al. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // JOSA (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190]. The claimed invention describes a method of reducing such losses by applying to the surface of a layer of non-absorbing dielectric subwavelength thickness.

Известен способ компенсации потерь монохроматических ИК ПЭВ при их распространении по плоской металлической поверхности, включающий нанесение на поверхность диэлектрического слоя толщиной порядка λ и создание в материале слоя инверсной населенности энергетических уровней частиц вещества [Zhang X., Liu Н., and Zhong Y. Compensation of propagation loss of surface plasmon polaritons with a finite-thickness dielectric gain layer // J. Optics, 2012, v. 14, 125003]. Основным недостатком способа является необходимость создания и постоянного поддержания инверсной населенности в материале слоя, что предполагает наличие устройства накачки и дополнительных энергетических затрат в процессе реализации способа.There is a method of compensating for the loss of monochromatic IR SEWs during their propagation over a flat metal surface, including applying a dielectric layer with a thickness of the order of λ to the surface and creating an inverted population layer with energy levels of matter particles [Zhang X., Liu N., and Zhong Y. Compensation of propagation loss of surface plasmon polaritons with a finite-thickness dielectric gain layer // J. Optics, 2012, v. 14, 125003]. The main disadvantage of this method is the need to create and constantly maintain an inverse population in the material of the layer, which suggests the presence of a pumping device and additional energy costs in the process of implementing the method.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ увеличения длины распространения монохроматических ИК ПЭВ по поверхности плоской прозрачной металлической пленки, включающий нанесение на поверхность пленки слоя непоглощающего диэлектрика с толщиной, превышающей глубину проникновения поля ПЭВ в материал слоя, и имеющий показатель преломления, близкий к показателю преломления подложки [Vaicikauskas V. Fourier transform infrared analysis of long-range surface polaritons excited by the end-fire method // Thin Solid Films, 2005, v. 493, р. 288-292]. Основным недостатком известного способа является ограниченность класса объектов, к которым применим способ только прозрачными металлическими пленками, в то время как в плазмонных каналах связи и информационных устройствах ИК ПЭВ часто направляются поверхностью непрозрачных металлических тел.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is a method of increasing the propagation length of monochromatic IR SEWs on the surface of a flat transparent metal film, including applying a layer of non-absorbing dielectric to the film surface with a thickness exceeding the depth of penetration of the SEW field into the layer material and having a refractive index close to the refractive index of the substrate [Vaicikauskas V. Fourier transform infrared analysis of long-range surface polaritons excited by the end-fire method // Thin Solid Films, 2005, v. 493, p. 288-292]. The main disadvantage of the known method is the limited class of objects to which the method is applicable only with transparent metal films, while in plasmon communication channels and information devices, IR PEVs are often directed by the surface of opaque metal bodies.

Технический результат изобретения является увеличение длины распространения монохроматических ИК ПЭВ по реальной плоской металлической поверхности, а также - на защиту ее от внешних воздействий.The technical result of the invention is to increase the propagation length of monochromatic IR sew on a real flat metal surface, and also to protect it from external influences.

Технический результат достигается тем, что в известном способе увеличения длины распространения монохроматических ИК ПЭВ по плоской металлической поверхности, включающем нанесение на поверхность слоя непоглощающего диэлектрика, до нанесения слоя определяют направление максимума диаграммы направленности объемных электромагнитных волн (ОЭВ), излучаемых ПЭВ с их трека, а толщину слоя и диэлектрическую проницаемость его материала выбирают такими, чтобы наличие слоя обеспечивало отрицательное приращение действительной части модуля волнового вектора ПЭВ на величину Δk′=ko·[1-cos(φmax)], где ko=2π/λ - волновое число ОЭВ в окружающей поверхность среде; λ - длина волны излучения в окружающей среде; φmax - угол отклонения максимума диаграммы направленности от плоскости поверхности.The technical result is achieved by the fact that in the known method of increasing the propagation length of monochromatic IR SEWs on a flat metal surface, including applying a non-absorbing dielectric to the surface of the layer, before applying the layer, the direction of the maximum radiation pattern of volume electromagnetic waves (OEW) emitted by SEWs from their track is determined, and the thickness of the layer and the dielectric constant of its material is chosen such that the presence of the layer provides a negative increment of the real part of the module in SEW new vector the amount Δk '= k o · [1-cos (φ max)], where k o = 2π / λ - EIA wavenumber in the surrounding medium surface; λ is the radiation wavelength in the environment; φ max - the angle of deviation of the maximum radiation pattern from the surface plane.

Теоретической основой заявляемого изобретения являются следующие факты:The theoretical basis of the claimed invention are the following facts:

1) наличие на направляющей ПЭВ поверхности неоднородностей в виде шероховатостей и вариаций диэлектрической проницаемости обуславливает «размытие» (как правило, гауссовской формы) модуля волнового вектора ПЭВ

Figure 00000001
(где i - мнимая единица) относительно его значения
Figure 00000002
для идеально плоской и однородной границы «металл-диэлектрик» [Raether Н. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings // Springer Tracts in Modern Physics, 1988, v. 111, Springer-Verlag, Berlin. - 530 р.]. Отрицательное приращение Δk=Δk′+i·Δk″ (зависящее от характеристик неоднородностей) к модулю вектора kПЭВ обуславливает частичное преобразование ПЭВ в объемное излучение, поскольку становится возможным выполнение неравенства
Figure 00000003
, являющегося условием преобразования ПЭВ в ОЭВ, излучаемые с трека ПЭВ в окружающую среду. Совокупность таких ОЭВ и представляет собой радиационные потери ПЭВ, дополнительные к их тепловым потерям в металле.1) the presence of inhomogeneities on the surface of the SEW guide in the form of roughnesses and variations in the dielectric constant determines the “blurring” (as a rule, of a Gaussian shape) of the SEW wave vector module
Figure 00000001
(where i is the imaginary unit) relative to its value
Figure 00000002
for a perfectly flat and uniform metal-insulator interface [Raether N. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings // Springer Tracts in Modern Physics, 1988, v. 111, Springer-Verlag, Berlin. - 530 p.]. The negative increment Δk = Δk ′ + i · Δk ″ (depending on the characteristics of the inhomogeneities) to the modulus of the SEW vector k determines the partial transformation of the SEW into volume radiation, since it becomes possible to fulfill the inequality
Figure 00000003
, which is a condition for the conversion of SEW into EIA, emitted from the SEW track into the environment. The totality of such EIAs is the radiation losses of SEWs, additional to their thermal losses in the metal.

2) Поскольку излучение ОЭВ происходит преимущественно под углом φmax, то для тангенциальной составляющей kox модуля волнового вектора таких ОЭВ справедливо соотношение: kox=ko·cos(φmax). Тогда, в силу закона сохранения тангенциальной составляющей волнового вектора, получим:2) Since the emission of the EIA occurs predominantly at an angle φ max , then for the tangential component k ox of the wave vector module of such EIA the relation is true: k ox = k o · cos (φ max ). Then, by virtue of the law of conservation of the tangential component of the wave vector, we obtain:

Figure 00000004
Figure 00000004

где Δk′ - действительная часть приращения Δk=Δk′+i·Δk″, сообщаемого неоднородностями поверхности волновому вектору ПЭВ. Учитывая тот факт, что в ИК диапазоне величина

Figure 00000005
превышает ko всего на сотые доли процента, можно утверждать, что k o П Э В ' k o
Figure 00000006
. Тогда равенство (1) примет вид:where Δk ′ is the real part of the increment Δk = Δk ′ + i · Δk ″ reported by surface inhomogeneities to the SEW wave vector. Given the fact that in the IR range, the value
Figure 00000005
exceeds k o only by hundredths of a percent, it can be argued that k o P E AT '' k o
Figure 00000006
. Then equality (1) takes the form:

Figure 00000007
Figure 00000007

Откуда и получим формулу для оценки величины Δk′:Whence we get the formula for estimating Δk ′:

Figure 00000008
Figure 00000008

3) Нанесение на поверхность, направляющую ПЭВ, слоя диэлектрика приводит к увеличению модуля волнового вектора ПЭВ

Figure 00000009
на величину
Figure 00000010
, пропорциональную толщине слоя [Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д. и др. Поглощение поверхностных плазмонов ТГц диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух" // Оптика и спектроскопия, 2006, Т. 100, №5, с. 798-802]. Увеличение
Figure 00000011
на приращение
Figure 00000012
приводит к тому, что условие преобразования ПЭВ в ОЭВ
Figure 00000013
при наличии слоя на поверхности выполняется для значительно меньшего числа гармонических составляющих фурье-спектра неоднородностей, чем в отсутствие слоя. Это и обеспечивает достижение основной цели изобретения - уменьшение радиационных потерь и увеличение длины распространения ИК ПЭВ. Кроме того, наличие слоя на металлической поверхности, направляющей ПЭВ, обеспечит ее защиту от внешних воздействий.3) The application of a dielectric layer to the surface directing the SEW leads to an increase in the modulus of the SEV wave vector
Figure 00000009
by the amount
Figure 00000010
proportional to the thickness of the layer [Zhizhin GN, Nikitin AK, Bogomolov GD et al. Absorption of surface plasmons of the THz range in the structure “metal-coating layer-air” // Optics and Spectroscopy, 2006, vol. 100, No. 5, p. 798-802]. Increase
Figure 00000011
increment
Figure 00000012
leads to the fact that the condition for the conversion of SEW to EIA
Figure 00000013
in the presence of a layer on the surface, it is performed for a significantly smaller number of harmonic components of the Fourier spectrum of inhomogeneities than in the absence of a layer. This ensures the achievement of the main objective of the invention is to reduce radiation losses and increase the propagation length of IR-SEW. In addition, the presence of a layer on the metal surface guiding the SEW will ensure its protection from external influences.

Изобретение поясняется чертежами: на рис. 1 представлена схема устройства, реализующего способ; на рис. 2 - расчетная зависимость приращения действительной части показателя преломления ПЭВ Δκ′ от толщины d слоя ZnS для ПЭВ с λ=130 мкм в структуре "золото - слой ZnS - воздух".The invention is illustrated by drawings: in Fig. 1 shows a diagram of a device that implements the method; in fig. 2 - calculated dependence of the increment of the real part of the refractive index of the SEW Δκ ′ on the thickness d of the ZnS layer for SEW with λ = 130 μm in the structure "gold - ZnS layer - air".

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на рис. 1, где цифрами обозначены: 1 - источник монохроматического ИК излучения; 2 - образец, размещенный в окружающей среде 3 и имеющий плоскую металлическую грань, способную направлять ПЭВ; 4 - плоское поворотное зеркало; 5 - цилиндрическое зеркало; 6 - элемент преобразования излучения источника 1 в ПЭВ, имеющий цилиндрическую грань, способную направлять ПЭВ и протяженность которой в плоскости падения излучения меньше длины распространения ПЭВ по образцу 2; 7 - фотоприемник; 8 - плоский экран, размещенный в окружающей среде 3 и ориентированный перпендикулярно треку ПЭВ, причем нижний край экрана удален от грани образца 2 на расстояние не меньше глубины проникновения поля ПЭВ в окружающую среду 3; 9 - оптическая скамья, имеющая ось вращения, принадлежащую плоскости грани образца 2 и пересекающую трек ПЭВ под прямым углом; 10 - фокусирующий объектив, установленный на скамье 9 и в фокусе которого размещен приемник 7, также зафиксированный на скамье 9; 11 - регулируемая диафрагма, размещенная перед входным отверстием приемника 7; 12 - гальванометр, подключенный к приемнику 7; 13 - устройство накопления и обработки информации.The proposed method can be implemented using a device, a diagram of which is shown in Fig. 1, where the numbers denote: 1 - a source of monochromatic IR radiation; 2 - a sample placed in the environment 3 and having a flat metal face capable of directing SEW; 4 - a flat rotary mirror; 5 - a cylindrical mirror; 6 - an element for converting the radiation of source 1 into a SEW, having a cylindrical face capable of guiding the SEW and the length of which in the plane of radiation incidence is less than the length of the SEW propagation through sample 2; 7 - photodetector; 8 - a flat screen placed in the environment 3 and oriented perpendicular to the SEW track, and the lower edge of the screen is removed from the edge of the sample 2 at a distance not less than the depth of penetration of the SEW field into the environment 3; 9 - an optical bench having a rotation axis belonging to the plane of the face of sample 2 and intersecting the SEW track at right angles; 10 - focusing lens mounted on the bench 9 and in the focus of which is placed the receiver 7, also fixed on the bench 9; 11 - adjustable diaphragm located in front of the inlet of the receiver 7; 12 - galvanometer connected to the receiver 7; 13 - device for the accumulation and processing of information.

Способ реализуется следующим образом. Вначале излучением источника 1 генерируют ПЭВ на плоской металлической грани образца 2, граничащей с окружающей средой 3. Для этого зеркалом 4 излучение направляют на цилиндрическое зеркало 5, фокусирующее его на ребро цилиндрической грани элемента 6. В результате дифракции излучения на ребре оно с некоторой эффективностью преобразуется в ПЭВ [Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin A. A. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8 (7), р. 386-388]. Порожденная таким образом ПЭВ распространяется по цилиндрической поверхности элемента 6 и переходит с нее на плоскую грань образца 2, примыкающую ко второму ребру цилиндрической грани. Отметим, что элемент 6 введен в схему устройства для экранирования фотоприемника 7 от паразитных ОЭВ, возникающих при преобразовании излучения источника 1 в ПЭВ методом дифракции. Аналогичную функцию выполняет и экран 8, защищающий приемник 7 от паразитных ОЭВ, возникающих в результате дифракции ПЭВ на стыке элемента 6 и образца 2. Распространяясь по плоской грани образца 2, ПЭВ дифрагируют на неоднородностях ее поверхности и частично излучаются в виде ОЭВ в окружающую среду 3; причем диаграмма направленности этих ОЭВ имеет максимум, отстоящий от поверхности грани на угол φmax [Князев Б.А., Никитин А.К., Жижин Г.Н. Способ измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плаз-монов по реальной поверхности // Патент РФ на изобретение №2512659, Бюл. №1 от 10.01.2014 г.]. Достигнув противоположного ребра грани, ПЭВ дифрагируют на нем и преобразуются в ОЭВ, распространяющиеся в окружающей среде 3 [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., et al. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // JOSA (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190].The method is implemented as follows. First, radiation from the source 1 generates SEWs on a flat metal face of sample 2, adjacent to the environment 3. For this purpose, the radiation 4 is directed to a cylindrical mirror 5, focusing it on the edge of the cylindrical face of element 6. As a result of diffraction of radiation on the edge, it is converted with some efficiency in sew [Stegeman GI, Wallis RF, Maradudin AA Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8 (7), p. 386-388]. The SEW generated in this way propagates along the cylindrical surface of element 6 and passes from it to the flat face of sample 2 adjacent to the second edge of the cylindrical face. Note that element 6 is introduced into the circuit of the device for shielding the photodetector 7 from spurious EIA arising from the conversion of the radiation of source 1 into SEW by diffraction. A similar function is performed by the screen 8, which protects the receiver 7 from parasitic EIA arising as a result of diffraction of SEWs at the junction of element 6 and sample 2. Propagating along the flat face of sample 2, SEWs are diffracted on the inhomogeneities of its surface and partially emitted in the form of EIA into the environment 3 ; moreover, the directivity diagram of these EIA has a maximum that is at an angle φ max [Knyazev B.A., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. A method for measuring the propagation length of infrared surface plasmons over a real surface // RF patent for the invention No. 2512659, Bull. No. 1 dated January 10, 2014]. Having reached the opposite edge of the face, SEWs are diffracted on it and converted into EIA propagating in the environment 3 [Gerasimov VV, Knyazev VA, Kotelnikov IA, Nikitin AK, et al. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // JOSA (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190].

На первом этапе реализации способа определяют направление максимума диаграммы направленности ОЭВ излучаемых ПЭВ с трека. Для этого оптическую скамью 9 с установленными на ней объективом 10 и фотоприемником 7, снабженным регулируемой диафрагмой 11, размещают таким образом, чтобы ось ее вращения проходила через центр участка трека ПЭВ, ограниченного экраном 8 и дальним (по ходу ПЭВ) ребром плоской грани образца 2. Плавно изменяя угол φ между оптической осью объектива 10 и плоской гранью образца 2, измеряют гальванометром 12 величину сигнала I с приемника 7. При этом, для обеспечения постоянства размера Δl наблюдаемого участка трека, размер D диафрагмы 11 изменяют в зависимости от угла φ в соответствии с формулой D=Δl·sin(φ). По совокупности соответствующих значений φ и I устройство 13 определяет направление φmax максимума диаграммы направленности ОЭВ, излучаемых ПЭВ с трека.At the first stage of the method, the direction of the maximum of the directivity pattern of the EIA of the emitted SEW from the track is determined. To do this, an optical bench 9 with a lens 10 mounted on it and a photodetector 7 equipped with an adjustable diaphragm 11 is placed so that its axis of rotation passes through the center of the section of the SEW track bounded by the screen 8 and the distant (along the SEW) edge of the flat face of sample 2 By smoothly varying the angle φ between the optical axis of the lens 10 and the flat face of sample 2, the signal I from the receiver 7 is measured with a galvanometer 12. Moreover, to ensure a constant size Δl of the observed section of the track, the size D of the diaphragm 11 is changed depending ing on the angle φ in accordance with the formula D = Δl · sin (φ). Based on the combination of the corresponding values of φ and I, the device 13 determines the direction φ max of the maximum radiation pattern of the EIA emitted by the SEW from the track.

На втором этапе реализации способа по формуле (3), с использованием измеренного φmax рассчитывают значение Δk′. Далее определяют толщину d диэлектрического слоя при заданной диэлектрической проницаемости εслоя его материала. Для этого решают (относительно d) дисперсионное уравнение ПЭВ для трехслойной структуры [Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer Science + Business Media LLC, 2007. p. 89-106; Жижин Г.Н., Москалева M.A., Шомина E.B., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям // Гл. 3 (с. 70-104) в сборнике «Поверхностные поляритоны. Поверхностные электромагнитные волны на границах сред» под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985], подставив в него значения Δk′, λ и диэлектрических проницаемостей металла ε1 и окружающей среды ε2.At the second stage of the method implementation according to the formula (3), using the measured φ max, the value Δk ′ is calculated. Next, determine the thickness d of the dielectric layer at a given dielectric constant ε of the layer of its material. For this, the dispersion equation of the SEW for a three-layer structure is solved (with respect to d) [Maier SA Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer Science + Business Media LLC, 2007. p. 89-106; Zhizhin G.N., Moskaleva MA, Shomina EB, Yakovlev V.A. Distribution of sew on metal surfaces // Ch. 3 (p. 70-104) in the collection “Surface polaritons. Surface electromagnetic waves at the boundaries of media "ed. V.M. Agranovich and D.L. Mills. M .: Nauka, 1985], substituting into it the values of Δk ′, λ and dielectric permittivities of the metal ε 1 and the environment ε 2 .

На третьем этапе реализации способа на плоскую грань образца 2 наносят слой диэлектрика с εслоя толщиной d0, соответствующей φmax. Наличие такого слоя на поверхности грани обеспечивает понижение радиационных потерь ПЭВ, а значит и увеличение длины распространения ПЭВ, примерно в два раза, по сравнению с образцом 2, не содержащим слоя диэлектрика. Такая оценка величины уменьшения радиационных потерь основывается на том факте, что в ИК диапазоне доля энергии поля ПЭВ, переносимая в металле, составляет сотые доли процента [Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям // Гл. 3 (с. 70-104) в сборнике «Поверхностные поляритоны. Поверхностные электромагнитные волны на границах сред» под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985]; с другой же стороны, реальная длина распространения ПЭВ на два порядка меньше рассчитанной для идеальной (не содержащей неоднородностей) металлической поверхности. Следовательно, потери ПЭВ на реальной поверхности имеют, в основном, радиационный характер. Поэтому отсечка нанесением слоя половины радиационных ОВ (в силу гауссовской формы «размытия» значения волнового вектора ПЭВ на неидеальной поверхности металла и связи значения Δk′ с углом φmax), обусловленных неоднородностями поверхности, должна приводить к уменьшению радиационных потерь ПЭВ в два раза и, соответственно, к двукратному увеличению длины их распространения.At the third stage of the method implementation, a dielectric layer with an ε layer of thickness d 0 corresponding to φ max is applied to the flat face of sample 2. The presence of such a layer on the surface of the face ensures a decrease in the radiation losses of the surface electromagnetic waves, and, therefore, an increase in the length of the propagation of the surface electromagnetic waves, by about a factor of two, compared with sample 2, which does not contain a dielectric layer. Such an estimate of the magnitude of the reduction in radiation losses is based on the fact that in the IR range the fraction of the SEW field energy transferred in the metal is hundredths of a percent [Zhizhin GN, Moskaleva MA, Shomina EV, Yakovlev V. BUT. Distribution of sew on metal surfaces // Ch. 3 (p. 70-104) in the collection “Surface polaritons. Surface electromagnetic waves at the boundaries of media "ed. V.M. Agranovich and D.L. Mills. M .: Nauka, 1985]; on the other hand, the real length of the SEW propagation is two orders of magnitude less than that calculated for an ideal (non-heterogeneous) metal surface. Consequently, the SEW losses on a real surface are mainly of a radiation nature. Therefore, the cutoff by applying a layer of half of the radiation OM (due to the Gaussian form of “blurring” the value of the SEW wave vector on the non-ideal metal surface and the connection of the Δk ′ value with the angle φ max ) due to surface inhomogeneities should lead to a decrease in the radiation losses of the SEW by half and, accordingly, a twofold increase in the length of their distribution.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность увеличения длины распространения ПЭВ с λ=130 мкм, направляемых плоской поверхностью золота, находящейся в воздухе с показателем преломления

Figure 00000014
, путем нанесения на нее слоя сульфида цинка (ZnS) с εслоя=8.70. Известно [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], что показатель преломления
Figure 00000015
таких ПЭВ на не содержащей слоя плоской поверхности напыленного золота равен κo=1.000657+i·0.00027, что соответствует их длине распространения
Figure 00000016
мм. Пусть максимум диаграммы направленности ОЭВ, излучаемых ПЭВ с их трека, направлен под углом φmax=5° к поверхности золота. Это означает, что неоднородности поверхности сообщают волновому вектору ПЭВ отрицательное приращение Δk′, которое, согласно (3), для данных λ и φmax равно 1.84 см-1, что соответствует приращению Δκ′ к показателю преломления ПЭВ, равному Δκ′=Δk′/ko=3.81·10-3. Определим толщину слоя ZnS, которую необходимо нанести на поверхность золота, чтобы увеличить L примерно в два раза. Для этого, используя дисперсионное уравнение ПЭВ для трехслойной структуры [Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям // Гл. 3 (с. 70-104) в сборнике «Поверхностные поляритоны. Поверхностные электромагнитные волны на границах сред» под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985], рассчитаем зависимость показателя преломления ПЭВ к в структуре "золото - слой ZnS - воздух" от толщины d слоя. Диэлектрическую проницаемость золота рассчитаем по модели Друде, подставляя в нее столкновительную частоту ντ=215 см-1 и плазменную частоту νp=72800 см-1 [Ordal М.А., Long L.L., Bell R.J., et al. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared // Applied Optics, 1985, v. 22, Is. 7, p. 1099-1120]. На рис. 2 приведен график расчетной зависимости Δκ′ (d); из нее видно, что значение Δκ′=3.81·10-3 достигается при d=do≈1.96 мкм. При наличии такого слоя ZnS на поверхности золота длина распространения ПЭВ увеличится примерно в два раза и достигнет значения 77 мм. В то же время, такой слой ZnS надежно защищает золото от внешних (механических и химических) воздействий.As an example of the application of the proposed method, we consider the possibility of increasing the propagation length of the surface electromagnetic waves with λ = 130 μm, guided by a flat surface of gold in air with a refractive index
Figure 00000014
, by applying a layer of zinc sulfide (ZnS) on it with ε layer = 8.70. It is known [Gerasimov VV, Knyazev V.A., Nikitin A.K., Zhizhin GN // A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, 171912] that the refractive index
Figure 00000015
of such SEWs on a layer of a deposited gold not containing a flat surface is κ o = 1.000657 + i · 0.00027, which corresponds to their propagation length
Figure 00000016
mm Let the maximum radiation pattern of the EIA emitted by the SEW from their track be directed at an angle φ max = 5 ° to the gold surface. This means that the surface inhomogeneities give the SEW wave vector a negative increment Δk ′, which, according to (3), for given λ and φ max is 1.84 cm -1 , which corresponds to the increment Δκ ′ to the SEI refractive index equal to Δκ ′ = Δk ′ / k o = 3.81 · 10 -3 . Let us determine the thickness of the ZnS layer, which must be applied to the surface of gold in order to increase L by approximately two times. For this, using the dispersion equation of the SEW for a three-layer structure [Zhizhin GN, Moskaleva MA, Shomina EV, Yakovlev VA Distribution of sew on metal surfaces // Ch. 3 (p. 70-104) in the collection “Surface polaritons. Surface electromagnetic waves at the boundaries of media "ed. V.M. Agranovich and D.L. Mills. M .: Nauka, 1985], we calculate the dependence of the refractive index of SEW k in the structure "gold - ZnS layer - air" on the thickness d of the layer. We calculate the dielectric constant of gold according to the Drude model, substituting the collisional frequency ν τ = 215 cm -1 and the plasma frequency ν p = 72800 cm -1 [Ordal MA, Long LL, Bell RJ, et al. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared // Applied Optics, 1985, v. 22, Is. 7, p. 1099-1120]. In fig. 2 shows a graph of the calculated dependence Δκ ′ (d); it can be seen that the value Δκ ′ = 3.81 · 10 -3 is achieved at d = d o ≈1.96 μm. In the presence of such a ZnS layer on the surface of gold, the propagation length of the SEW will increase by approximately two times and reach a value of 77 mm. At the same time, such a ZnS layer reliably protects gold from external (mechanical and chemical) influences.

Рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность увеличения длины распространения монохроматических ИК ПЭВ за счет уменьшения их радиационных потерь путем нанесения на волноведущую поверхность слоя непоглощающего диэлектрика субволновой толщины, который одновременно выполняет и функцию протектора поверхности от внешних воздействий.The considered example clearly demonstrates the possibility of increasing the propagation length of monochromatic IR SEWs by reducing their radiation losses by applying a layer of non-absorbing dielectric thickness of a subwavelength to the waveguide surface, which also performs the function of a surface protector from external influences.

Применение заявляемого способа позволит более эффективно применять ИК ПЭВ в оптических линиях связи и сенсорных устройствах, а также - повысит надежность их функционирования и увеличит срок службы.The application of the proposed method will allow more efficient use of IR PEV in optical communication lines and sensor devices, and also will increase the reliability of their operation and increase the service life.

Claims (1)

Способ увеличения длины распространения инфракрасных монохроматических поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) по плоской металлической поверхности, включающий нанесение на поверхность слоя непоглощающего диэлектрика, отличающийся тем, что до нанесения слоя определяют направление максимума диаграммы направленности объемных электромагнитных волн (ОЭВ), излучаемых ПЭВ с их трека, а толщину слоя и показатель преломления его материала выбирают такими, чтобы наличие слоя обеспечивало приращение действительной части модуля волнового вектора ПЭВ на величину:
Figure 00000017

где ko=2π/λ - волновое число ОЭВ в окружающей поверхность среде; λ - длина волны излучения в окружающей среде; φmах - угол отклонения максимума диаграммы направленности от плоскости поверхности.
A method for increasing the propagation length of infrared monochromatic surface electromagnetic waves (SEWs) over a flat metal surface, comprising applying a non-absorbing dielectric layer to the surface, characterized in that prior to applying the layer, the direction of the maximum radiation pattern of volume electromagnetic waves (OEW) emitted by SEWs from their track is determined, and the layer thickness and the refractive index of its material are chosen such that the presence of the layer provides an increment of the real part of the wave modulus SEW vectors by the amount of:
Figure 00000017

where k o = 2π / λ is the wave number of the EIA in the environment surrounding the surface; λ is the radiation wavelength in the environment; φ max - the angle of deviation of the maximum radiation pattern from the surface plane.
RU2015111991/28A 2015-04-02 2015-04-02 Method of increasing propagation length of infrared monochromatic surface electromagnetic waves on flat metal surface RU2589465C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015111991/28A RU2589465C1 (en) 2015-04-02 2015-04-02 Method of increasing propagation length of infrared monochromatic surface electromagnetic waves on flat metal surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015111991/28A RU2589465C1 (en) 2015-04-02 2015-04-02 Method of increasing propagation length of infrared monochromatic surface electromagnetic waves on flat metal surface

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2589465C1 true RU2589465C1 (en) 2016-07-10

Family

ID=56371192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015111991/28A RU2589465C1 (en) 2015-04-02 2015-04-02 Method of increasing propagation length of infrared monochromatic surface electromagnetic waves on flat metal surface

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2589465C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7496264B2 (en) * 2006-08-29 2009-02-24 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Optical waveguide
RU2411467C1 (en) * 2010-03-11 2011-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Method of converting monochromatic infrared radiation to surface electromagnetic wave

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7496264B2 (en) * 2006-08-29 2009-02-24 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Optical waveguide
RU2411467C1 (en) * 2010-03-11 2011-02-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Method of converting monochromatic infrared radiation to surface electromagnetic wave

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Vaicikauskas V. "Fourier transform infrared analysis of long-range surface polaritons excited by the end-fire method", THIN SOLID FILMS, т.493, 2005 г. стр.288-292. G. N. Zhizhin и др. "Absorption of Surface Plasmons in a Metal-Cladding Layer-Air Structure in the Terahertz Frequency Range", OPTICS AND SPECTROSCOPY, т.100, No.5, 2006 г., стр.734-738;. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gerasimov et al. Growth of terahertz surface plasmon propagation length due to thin-layer dielectric coating
Wang et al. All-optical photoacoustic microscopy based on plasmonic detection of broadband ultrasound
Maharana et al. On the field enhancement and performance of an ultra-stable SPR biosensor based on graphene
US9013702B2 (en) Imaging systems for optical computing devices
RU2318192C1 (en) Plasmon-based terahertz-range spectrometer for examination of conductive surface
US20130286398A1 (en) Imaging Systems for Optical Computing Devices
Heckmann et al. Plasmon-enhanced nonlinear yield in the Otto and Kretschmann configurations
RU2645008C1 (en) Device for measuring the length of infrared surface of the electromagnetic wave
RU2573617C1 (en) Infrared amplitude-phase plasmon spectrometer
Kuttge et al. Analysis of the propagation of terahertz surface plasmon polaritons on semiconductor groove gratings
RU2589465C1 (en) Method of increasing propagation length of infrared monochromatic surface electromagnetic waves on flat metal surface
Zhang et al. Excitation of broadband surface plasmons with dye molecules
Jena et al. Characterization of optical thin films by spectrophotometry and atomic force microscopy
Word et al. Direct imaging of optical diffraction in photoemission electron microscopy
Tarumaraja et al. FDTD numerical analysis of SPR sensing using graphene-based photonic crystal
RU2380664C1 (en) Device for measuring propagation length of surface electromagnetic waves in infrared band
Xia et al. Study of surface plasmon resonance sensor based on polymer-tipped optical fiber with barium titanate layer
RU2477841C2 (en) Infrared amplitude-phase plasmon spectrometer
RU2380665C1 (en) Device for determining absorption coefficient of surface electromagnetic waves in infrared band
RU2681427C1 (en) Device for measuring the length of infrared surface of the electromagnetic wave
CN105628673B (en) The method of the Transition-metal dichalcogenide sample number of plies on test compound silicon substrate
RU2411467C1 (en) Method of converting monochromatic infrared radiation to surface electromagnetic wave
Dormeny et al. On the sensitivity of optical fiber surface plasmon resonance based sensor for detection of dielectric analytes using COMSOL multiphysics
RU2491533C1 (en) Method to determine depth of penetration of field of terahertz surface plasmons into environment
Shwan Calculate The Resonance Angle of Surface Plasmon Resonance Gold film Configured with Kretschmann

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200403