RU2625641C1 - Device for measuring distribution of field of infrared surface electromagnetic wave on their track - Google Patents

Device for measuring distribution of field of infrared surface electromagnetic wave on their track Download PDF

Info

Publication number
RU2625641C1
RU2625641C1 RU2016104697A RU2016104697A RU2625641C1 RU 2625641 C1 RU2625641 C1 RU 2625641C1 RU 2016104697 A RU2016104697 A RU 2016104697A RU 2016104697 A RU2016104697 A RU 2016104697A RU 2625641 C1 RU2625641 C1 RU 2625641C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sew
sample
radiation
track
frame
Prior art date
Application number
RU2016104697A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Константинович Никитин
Борис Александрович Князев
Василий Валерьевич Герасимов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
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 "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority to RU2016104697A priority Critical patent/RU2625641C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2625641C1 publication Critical patent/RU2625641C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to a device for measuring the distribution of an infrared surface electromagnetic wave (SEW) field over its track. The device contains a source of monochromatic radiation, a radiation transformation element in the SEW, a solid-state sample with a guiding wave by a flat surface, and a platform moving along the track. A focusing lens, a photodetector, a measuring instrument and a stand are mounted on the platform. The stand is equipped with a spring-cushioned frame and an adjusting micro-screw, articulated with an area inside the frame, carrying the element for converting the SEW into an OB. Springs, resting against the rack, tighten the frame to the sample, and the frame itself rests on the surface of the sample by the stops moving along it. The element of the radiation transformation in the SEW is made in the form of a sector of the cylinder, whose axis is oriented perpendicular to the plane of incidence of radiation, and the convex surface of this element capable of guiding the SEW is conjugated by its edge to the surface of the sample and has a track length less than the propagation length of the SEW.
EFFECT: improving the accuracy.
1 dwg

Description

Изобретение относится к бесконтактным методам исследования поверхности металлов и полупроводников посредством инфракрасного (ИК) излучения, а именно - к определению ИК-спектров поглощения как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения длины распространения поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), направляемой этой поверхностью, и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, в ИК-спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике.The invention relates to non-contact methods for studying the surface of metals and semiconductors by means of infrared (IR) radiation, namely, to determining the IR absorption spectra of both the surface itself and its transition layer by measuring the propagation length of a surface electromagnetic wave (SEW) directed by this surface, and may find application in studies of physicochemical processes on the surface of a solid body, in IR spectroscopy of oxide and adsorbed layers, in sensor devices and control -measurement technique.

Спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПЭВ (Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. – М.: Наука, 1985. - 525 с.) [1]. В ИК-диапазоне применяют, главным образом, абсорбционную ПЭВ-спектроскопию, в которой измеряемой величиной является длина распространения ПЭВ L (расстояние вдоль трека, на котором интенсивность поля ПЭВ уменьшается в e≈2.718 раз), достигающая в этом диапазоне 1000λ (где λ - длина волны излучения, возбуждающего ПЭВ) и которая, поэтому, может быть измерена непосредственно. Причем, так как расстояние взаимодействия излучения с поверхностью в этом методе макроскопическое, а интенсивность поля ПЭВ максимальна на направляющей ее поверхности, то чувствительность ПЭВ-спектроскопии значительно выше чувствительности иных оптических методов контроля проводящей поверхности в ИК-диапазоне.Spectroscopy of the surface of a solid is one of the main fields of application of SEW (Surface polaritons. Electromagnetic waves on surfaces and media interfaces / Edited by V.M. Agranovich and D.L. Mills. - M .: Nauka, 1985. - 525 s. .) [one]. In the IR range, mainly PEV absorption spectroscopy is used, in which the measured value is the length of the SEW propagation L (the distance along the track at which the SEW field intensity decreases by e≈2.718 times), reaching 1000λ in this range (where λ - the wavelength of the radiation exciting the SEW) and which, therefore, can be measured directly. Moreover, since the distance of the interaction of radiation with the surface in this method is macroscopic, and the intensity of the SEW field is maximum on the surface guiding it, the sensitivity of PEV spectroscopy is much higher than the sensitivity of other optical methods for monitoring the conducting surface in the infrared range.

Точность определения величины L, а следовательно, и точность самого метода ПЭВ-спектроскопии пропорциональна числу N измерений интенсивности ПЭВ в различных точках трека (где N≥2) и в значительной степени зависит от стабильности условий преобразования ПЭВ в детектируемую фотоприемником объемную волну (ОВ); в частности - от неизменности величины зазора между элементом преобразования ПЭВ в ОВ и поверхностью образца в процессе перемещения этого элемента вдоль трека.The accuracy of determining the value of L, and therefore the accuracy of the SEV spectroscopy method itself, is proportional to the number N of measurements of the SEW intensity at various points on the track (where N≥2) and largely depends on the stability of the conditions for the conversion of the SEW into a body wave (S) detected by the photodetector; in particular, from the invariability of the gap between the element of conversion of SEW into organic matter and the surface of the sample in the process of moving this element along the track.

Известно устройство для измерения длины распространения монохроматических ПЭВ ИК-диапазона, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей ПЭВ, фиксированный относительно поверхности элемент преобразования излучения в ПЭВ, перемещаемый вдоль трека ПЭВ элемент преобразования ПЭВ в объемную волну, приемник излучения, выходящего из второго элемента преобразования, и измерительный прибор, регистрирующий сигналы с выхода фотоприемника (Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Селективное поглощение ПЭВ, распространяющейся по металлу в присутствии тонкой диэлектрической пленки // Письма в ЖЭТФ, 1976, т. 24, Вып. 4, с. 221-225) [2].A device for measuring the propagation length of IR monochromatic SEWs containing a laser source, a solid-state sample with a flat surface, a SEW guide, a radiation-to-SEW element that is fixed relative to the surface, an element for converting a SEW into a body wave moving along the SEW path, and a radiation receiver emerging from the second conversion element, and a measuring device that registers signals from the output of the photodetector (Zhizhin G.N., Moskaleva M.A., Shomina E.V., Yakovlev V.A. Selective absorption of SEW propagating through a metal in the presence of a thin dielectric film // Letters in JETP, 1976, v. 24, Issue 4, pp. 221-225) [2].

Основными недостатками такого устройства являются низкая точность измерений, не превышающая 10%, что обусловлено наличием паразитных приповерхностных объемных волн, порождаемых на первом элементе преобразования вследствие дифракции падающего излучения, и вариациями оптической связи между ПЭВ и вторым элементом преобразования в процессе его перемещения.The main disadvantages of such a device are the low accuracy of measurements, not exceeding 10%, which is due to the presence of spurious near-surface body waves generated on the first conversion element due to diffraction of incident radiation, and variations in the optical coupling between the SEW and the second conversion element during its movement.

Известно устройство для измерения длины распространения ИК ПЭВ, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец, состоящий из двух частей, сопряженных плоскими поверхностями, фиксированный относительно поверхности первой (по ходу излучения) части элемент преобразования излучения в ПЭВ и подключенный к измерительному прибору фотодетектор, размещенный у края поверхности в плоскости падения излучения; причем фотодетектор имеет возможность перемещаться вдоль линии пересечения плоскости падения излучения и волноведущей поверхности, а вторая часть образца является съемной (Патент РФ на изобретение №2380664) [3].A device is known for measuring the propagation length of an IR PEV containing a laser radiation source, a solid-state sample consisting of two parts conjugated by flat surfaces, an element for converting radiation into SEW fixed to the surface of the first (along the radiation) part, and a photodetector connected to the measuring device located at edges of the surface in the plane of radiation incidence; moreover, the photodetector has the ability to move along the line of intersection of the plane of incidence of radiation and the waveguide surface, and the second part of the sample is removable (RF Patent for the invention No. 2380664) [3].

Основными недостатками такого устройства являются низкая точность измерений, обусловленная наличием паразитных приповерхностных объемных волн, порождаемых вследствие дифракции падающего излучения на первом элементе преобразования, и минимальным числом измерений (N=2) интенсивности ПЭВ: при наличии второй части образца и в ее отсутствии.The main disadvantages of this device are the low accuracy of the measurements, due to the presence of spurious near-surface body waves generated due to diffraction of the incident radiation on the first conversion element, and the minimum number of measurements (N = 2) of the SEW intensity: in the presence of the second part of the sample and in its absence.

Известно устройство для зондирования поля монохроматической ИК ПЭВ над ее треком, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с направляющей ПЭВ плоской поверхностью и ребром, перпендикулярным треку, размещенный в окружающей среде над поверхностью элемент преобразования излучения в ПЭВ, способный перемещаться вдоль трека, приемник излучения, зафиксированный относительно образца и размещенный в плоскости падения на уровне направляющей поверхности, и измерительный прибор, регистрирующий сигналы с выхода приемника (Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, No. 17, 171912) [4].A device for sensing a field of monochromatic IR SEW above its track, containing a laser radiation source, a solid-state sample with a SEW guide with a flat surface and an edge perpendicular to the track, an element of radiation conversion into SEW located in the environment above the surface, capable of moving along the track, a radiation receiver, fixed relative to the sample and placed in the plane of incidence at the level of the guide surface, and a measuring device that registers signals from the output of the receiver (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, No. 17, 171912) [4 ].

Основными недостатками известного устройства являются низкая точность измерений, обусловленная наличием паразитных приповерхностных объемных волн, порождаемых при дифракции падающего излучения на элементе преобразования и вариациями оптической связи между ПЭВ и элементом преобразования в процессе его перемещения.The main disadvantages of the known device are the low measurement accuracy due to the presence of spurious near-surface body waves generated by the diffraction of incident radiation on the conversion element and variations in the optical coupling between the SEW and the conversion element during its movement.

Известно устройство для измерения длины распространения монохроматических ПЭВ ИК-диапазона, содержащее источник излучения, направляющий ПЭВ составной твердотельный образец, состоящий из примыкающих друг к другу двух частей, первая из которых является плоскогранной, а вторая - полуцилиндром с радиусом образующей меньше длины распространения, основание которого сопряжено с торцом первой части и ориентировано перпендикулярно треку, размещенный в окружающей среде над поверхностью неподвижный элемент преобразования излучения в ПЭВ, приемник излучения, размещенный в плоскости падения излучения у края второй части, а также - измерительный прибор, подключенный к приемнику; причем обе части образца и приемник размещены на подвижной платформе, способной перемещаться параллельно направляющей поверхности первой части (Патент РФ на изобретение №2470269) [5].A device for measuring the propagation length of infrared monochromatic SEWs containing a radiation source directing the SEW composite solid-state sample, consisting of two parts adjacent to each other, the first of which is planar and the second half-cylinder with a radius forming less than the propagation length, the base of which is associated with the end face of the first part and oriented perpendicular to the track, a stationary element of radiation conversion into SEW placed in the environment above the surface, at ISRC radiation, disposed in the plane of incidence of the radiation at the edge of the second part, and - a measuring device connected to the receiver; moreover, both parts of the sample and the receiver are placed on a movable platform capable of moving parallel to the guide surface of the first part (RF Patent for the invention No. 2470269) [5].

Основным недостатком такого устройства является низкая точность измерений, обусловленная изменением величины зазора между элементом преобразования и поверхностью первой части, а также смещением пучка излучения источника относительно этого элемента в процессе перемещения платформы.The main disadvantage of such a device is the low measurement accuracy due to a change in the gap between the conversion element and the surface of the first part, as well as the displacement of the source radiation beam relative to this element during the movement of the platform.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для промера распределения поля ИК ПЭВ над ее треком, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец, волноведущая поверхность которого образована двумя плоскими гранями, сопряженными скругленным ребром, фиксированный над первой по ходу излучения гранью элемент преобразования излучения в ПЭВ, укрепленные на перемещаемой вдоль трека платформе элемент преобразования ПЭВ в объемное излучение, выполненный в виде плоского зеркала, отражающая грань которого примыкает ко второй грани образца, наклонена к ней под углом 45° и ориентирована перпендикулярно к треку, фокусирующий объектив и фотодетектор, подключенный к измерительному прибору (Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. 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 // Journal of the Optical Society of America (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190 (прототип)) [6].The closest in technical essence to the claimed device is a device for measuring the distribution of the field of IR-SEW over its track, containing a laser source, a solid-state sample, the waveguide surface of which is formed by two flat faces conjugated by a rounded edge, a radiation conversion element fixed above the first along the face of the radiation in SEW, mounted on a platform moving along the track, an element for converting SEW to volume radiation, made in the form of a flat mirror, reflection The leading face of which adjoins the second face of the sample, is inclined to it at an angle of 45 ° and is oriented perpendicular to the track, a focusing lens and a photo detector connected to the measuring device (Gerasimov VV, Knyazev V.A., Kotelnikov IA, Nikitin AK, Cherkassky VS, Kulipanov GN, Zhizhin GN 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 // Journal of the Optical Society of America (B), 2013 , v. 30, Is. 8, p. 2182-2190 (prototype)) [6].

Основным недостатком известного устройства также является низкая точность измерений, обусловленная изменением величины зазора между элементом преобразования и поверхностью второй грани образца в процессе перемещения платформы.The main disadvantage of the known device is also the low measurement accuracy due to a change in the gap between the conversion element and the surface of the second face of the sample during the movement of the platform.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности измерений и воспроизводимости их результатов.The technical result to which the invention is directed is to increase the accuracy of measurements and reproducibility of their results.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для промера распределения поля ИК ПЭВ над ее треком, содержащем источник монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в ПЭВ, твердотельный образец с направляющей волну плоской поверхностью, перемещаемую вдоль трека платформу, на которой размещены элемент преобразования ПЭВ в объемную волну (ОВ), выполненный в виде плоского зеркала, отражающая грань которого примыкает к поверхности образца, наклонена к ней под углом 45° и ориентирована перпендикулярно к треку, фокусирующий объектив, фотоприемник и подключенный к нему измерительный прибор, согласно изобретению платформа дополнительно содержит стойку, на которой установлены амортизированная пружинами рамка и регулировочный микровинт, сочлененный с размещенной внутри рамки площадкой, несущей элемент преобразования ПЭВ в ОВ, и способный перемещать площадку относительно рамки вдоль нормали к поверхности образца; причем пружины, упираясь в стойку, поджимают рамку к образцу, а сама рамка опирается на поверхность образца перемещающимися по ней упорами; кроме того, элемент преобразования излучения в ПЭВ выполнен в виде сектора цилиндра, ось которого ориентирована перпендикулярно плоскости падения излучения, а выпуклая поверхность этого элемента, способная направлять ПЭВ, сопряжена своим ребром с поверхностью образца и имеет протяженность трека меньше длины распространения ПЭВ.The technical result is achieved by the fact that in the device for measuring the distribution of the IR-SEW field over its track containing a source of monochromatic radiation, an element for converting radiation into a SEW, a solid-state sample with a guiding wave flat surface, a platform moving along the track, on which the element for converting PEV to volumetric is placed wave (S), made in the form of a flat mirror, the reflecting face of which is adjacent to the surface of the sample, is inclined to it at an angle of 45 ° and is oriented perpendicular to the track, focus According to the invention, the mounting lens, photodetector and measuring device connected to it, the platform further comprises a stand, on which a spring-shock-absorbed frame and an adjusting microscrew are mounted, articulated with a platform placed inside the frame that carries the PEV to OB conversion element and capable of moving the platform relative to the frame along the normal to the surface of the sample; moreover, the springs, resting on the rack, press the frame to the sample, and the frame itself is supported on the surface of the sample by moving stops along it; in addition, the element for converting radiation into SEW is made in the form of a sector of the cylinder, the axis of which is oriented perpendicular to the plane of incidence of radiation, and the convex surface of this element capable of guiding SEW is conjugated by its edge with the surface of the sample and has a track length less than the propagation length of SEW.

Повышение точности измерений достигается за счет постоянства величины зазора между элементом преобразования ПЭВ в ОВ в процессе перемещения платформы, обеспечиваемого тем, что величина зазора устанавливается микровинтом и фиксируется упорами рамки, несущей площадку с элементом преобразования; возможные же изменения зазора в ходе движения платформы вдоль трека компенсируются соответствующими изменениями деформации пружин. Кроме того, цилиндрическая форма элемента преобразования излучения источника в ПЭВ обеспечивает надежную экранировку фотоприемника от паразитных засветок объемными волнами, возникающими в результате дифракции излучения на этом элементе.Improving the accuracy of measurements is achieved due to the constancy of the gap between the element of conversion of SEW to OB in the process of moving the platform, provided that the gap is set by the microscrew and fixed by the stops of the frame supporting the platform with the conversion element; possible changes in the gap during the movement of the platform along the track are compensated by the corresponding changes in the deformation of the springs. In addition, the cylindrical shape of the element for converting the radiation of the source into the SEW provides reliable screening of the photodetector from spurious illumination by volume waves resulting from diffraction of radiation on this element.

На Рис. 1 приведена схема заявляемого устройства, где 1 - источник p-поляризованного монохроматического излучения, 2 - фокусирующее цилиндрическое зеркало, образующая которого перпендикулярна плоскости падения излучения; 3 - цилиндрический элемент преобразования излучения в ПЭВ, выпуклая поверхность которого способна направлять ПЭВ и дуга которого в плоскости падения короче длины распространения ПЭВ; 4 - образец, плоская грань которого способна направлять ПЭВ; 5 - элемент преобразования ПЭВ в объемное излучение, выполненный в виде плоского зеркала, отражающая грань которого примыкает к грани образца 4 и наклонена к ней под углом 45°; 6 - фокусирующая линза; 7 - фотоприемник, размещенный в фокусе линзы 6; 8 - измерительный прибор; 9 - платформа, перемещаемая параллельно поверхности грани образца 4; 10 - стойка, укрепленная на платформе 9; 11 - пружины, опирающиеся на стойку 10; 12 - рамка, перемещаемая пружинами 11 вдоль нормали к плоскости грани образца 4; 13 - регулировочный микровинт, установленный на стойке 10; 14 - площадка с укрепленным на ней элементом 5, размещенная внутри рамки 12 и сочлененная с прецизионно перемещающим ее винтом 13; 15 - упоры рамки 12, перемещающиеся по поверхности грани образца 4; 16 - непрозрачный экран, удаленный от стыка "элемент 3 - образец 4" на расстояние меньше длины распространения и больше глубины проникновения ПЭВ в окружающую среду от грани образца 4.In Fig. 1 shows a diagram of the inventive device, where 1 is the source of p-polarized monochromatic radiation, 2 is a focusing cylindrical mirror, the generatrix of which is perpendicular to the plane of incidence of radiation; 3 - a cylindrical element for the conversion of radiation into SEW, the convex surface of which is able to direct the SEW and whose arc in the plane of incidence is shorter than the propagation length of the SEW; 4 - sample, the flat face of which is capable of directing SEW; 5 - an element for converting SEW to volume radiation, made in the form of a flat mirror, the reflecting face of which is adjacent to the face of sample 4 and inclined to it at an angle of 45 °; 6 - focusing lens; 7 - photodetector located in the focus of the lens 6; 8 - measuring device; 9 - a platform moved parallel to the surface of the face of the sample 4; 10 - rack, mounted on the platform 9; 11 - springs based on the rack 10; 12 - frame, moved by the springs 11 along the normal to the plane of the face of the sample 4; 13 - adjusting microscrew mounted on a rack 10; 14 - a platform with an element 5 fixed on it, located inside the frame 12 and articulated with a screw 13 that accurately moves it; 15 - emphasis frame 12, moving along the surface of the face of the sample 4; 16 - opaque screen, remote from the junction "element 3 - sample 4" at a distance less than the propagation length and more than the depth of penetration of the sew in the environment from the edge of the sample 4.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на зеркало 2, фокусирующее излучение на ребро элемента преобразования 3, имеющего форму сектора цилиндра с радиус кривизны не менее 100⋅λ, что обеспечивает неизлучающий характер ПЭВ на искривленной поверхности. Излучение дифрагирует на ребре и, с некоторой эффективностью, преобразуется в ПЭВ, направляемую выпуклой поверхностью элемента 3. Достигнув второго ребра выпуклой поверхности, ПЭВ переходит на плоскую грань образца 4 и распространяется по ней с некоторым затуханием, обусловленным джоулевыми потерями в материале образца. Вследствие потерь интенсивность ПЭВ уменьшается вдоль трека по экспоненциальному закону, характеризующему длину распространения L волны. Дойдя до зеркала 5, ПЭВ взаимодействует с его наклоненной отражающей гранью и получает в результате этого отрицательную добавку (модуль которой равен

Figure 00000001
, где k0=2π/λ) к своему волновому вектору, что приводит к преобразованию ПЭВ в объемную волну (ОВ), распространяющуюся в окружающем пространстве вдоль нормали к грани образца 4. ОВ фокусируется линзой 6 на входное отверстие приемника 7. Сигнал I, вырабатываемый приемником 7 и пропорциональный интенсивности поля ПЭВ в точке трека под передней кромкой отражающей грани зеркала 5, регистрируется прибором 8. Регистрацию сигнала выполняют по мере продвижения платформы 9 вдоль трека ПЭВ. Тогда длина распространения ПЭВ L может быть рассчитана по формуле (1):The inventive device operates as follows. The radiation of the source 1 falls on the mirror 2, focusing the radiation on the edge of the transformation element 3, which has the shape of a cylinder sector with a radius of curvature of at least 100⋅λ, which ensures the non-radiating character of the SEW on a curved surface. The radiation diffracts on the edge and, with some efficiency, is converted into a SEW, guided by the convex surface of element 3. Having reached the second edge of the convex surface, the SEW passes to the flat face of sample 4 and propagates along it with some attenuation due to joule losses in the sample material. Due to losses, the SEW intensity decreases along the track according to the exponential law characterizing the propagation length L of the wave. Having reached mirror 5, the SEW interacts with its inclined reflecting face and as a result receives a negative additive (whose module is equal to
Figure 00000001
, where k 0 = 2π / λ) to its wave vector, which leads to the conversion of the SEW into a body wave (S) propagating in the surrounding space along the normal to the face of the sample 4. The S1 is focused by lens 6 to the inlet of receiver 7. Signal I, generated by the receiver 7 and proportional to the intensity of the SEW field at the track point under the leading edge of the reflecting face of the mirror 5, is recorded by the device 8. The signal is recorded as the platform 9 moves along the SEW track. Then the propagation length of the SEW L can be calculated by the formula (1):

Figure 00000002
Figure 00000002

где x2 и х1 - расстояния (причем x1<x2), проходимые ПЭВ по образцу до произвольных точек трека; I1 и I2 - сигналы, регистрируемые прибором 8, при нахождении зеркала 5 в этих точках.where x 2 and x 1 are the distances (with x 1 <x 2 ) traveled by the SEW along the sample to arbitrary points on the track; I 1 and I 2 are the signals recorded by the device 8, when the mirror 5 is at these points.

Выполнив измерения и расчеты значений L для большого числа расстояний х, пробегаемых ПЭВ, находят среднее значение L. Многократность измерений и усреднение их результатов способствуют повышению точности определения L.After measuring and calculating the values of L for a large number of distances x traveled by the SEW, the average value of L. is found. Repeated measurements and averaging of their results contribute to an increase in the accuracy of determining L.

Ключевым моментом, позволяющим повысить точность и воспроизводимость результатов измерений при использовании заявляемого устройства, является неизменность зазора между зеркалом 5 и образцом 4 в процессе перемещения платформы 9, на которой размещены линза 6 и приемник 7. Для обеспечения этого постоянства платформа 9 дополнительно содержит стойку 10, на которой установлены амортизированная пружинами 11 рамка 12 и регулировочный микровинт 13, сочлененный с размещенной внутри рамки 12 площадкой 14, несущей элемент 5, и способный перемещать площадку 14 относительно рамки 12 вдоль нормали к грани образца 4; причем пружины 11, упираясь в стойку 10, поджимают рамку 12 к образцу 4, а сама рамка 12 опирается на грань образца 4 перемещающимися по ней упорами 15. Вследствие постоянного механического взаимодействия элемента 5 (наклоненного плоского зеркала), преобразующего ПЭВ в ОВ, в ходе перемещения платформы 9 возможные вариации величины зазора компенсируются изменением длины пружин 11. Сама же величина зазора, определяющая интенсивность детектируемого приемником 7 излучения в данной точке трека, выбирается микровинтом 13 и остается неизменной в процессе регистрации интенсивности поля ПЭВ вдоль ее трека. Кроме того, наличие в устройстве винта 13 позволяет промерять распределение интенсивности поля ПЭВ и вдоль нормали к поверхности образца 4 в любой точке трека, что используют, в частности, для определения действительной части показателя преломления ПЭВ (Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, No. 17, 171912) [4].The key point to improve the accuracy and reproducibility of the measurement results when using the inventive device is the invariability of the gap between the mirror 5 and the sample 4 in the process of moving the platform 9, on which the lens 6 and the receiver 7 are placed. To ensure this constancy, the platform 9 further comprises a rack 10, on which is mounted a frame 12 shock-absorbed by the springs 11 and an adjusting microscrew 13, articulated with a platform 14 located inside the frame 12, carrying the element 5, and capable of moving the platform 14 relative to the frame 12 along the normal to the face of sample 4; moreover, the springs 11, abutting the strut 10, press the frame 12 against the sample 4, and the frame 12 rests on the edge of the sample 4 with stops moving along it 15. Due to the constant mechanical interaction of the element 5 (an inclined plane mirror), which converts the SEW into an OB, during displacements of the platform 9, possible variations in the value of the gap are compensated by a change in the length of the springs 11. The very value of the gap, which determines the intensity of the radiation detected by the receiver 7 at a given point in the track, is selected by the microscrew 13 and remains unchanged in the process SEW registration field intensity along the track. In addition, the presence of a screw 13 in the device makes it possible to measure the intensity distribution of the SEW field along the normal to the surface of sample 4 at any point on the track, which is used, in particular, to determine the real part of the refractive index of the SEW (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, No. 17, 171912) [4].

Второй важной особенностью заявляемого устройства является использование в качестве элемента преобразования излучения источника 1 в ПЭВ сектора цилиндра, ось которого ориентирована перпендикулярно плоскости падения излучения и способна направлять ПЭВ выпуклую поверхность, которая своим ребром сопряжена с плоской гранью образца 4 и имеет протяженность трека меньше длины распространения ПЭВ. Цилиндрическая форма согласующего элемента 3 и наличие у его выпуклой поверхности, ограниченной двумя плоскостями, пересекающимися на оси цилиндра, позволяет не только генерировать ПЭВ излучением источника 1 слабо дисперсионным end-fire методом (Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin А.А. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8 (7), p. 386-388) [7], но и эффективно экранировать приемник 7 от порождаемых при этом паразитных объемных волн. С целью защиты приемника 7 от паразитного излучения, возникающего на стыке элемента 3 и образца 4, над треком размещают непрозрачный экран 16, удаленный от стыка на расстояние меньше длины распространения и больше глубины проникновения ПЭВ в окружающую среду от поверхности образца 4.The second important feature of the claimed device is the use as a radiation conversion element of source 1 in the SEW sector of the cylinder, the axis of which is oriented perpendicular to the plane of radiation incidence and is capable of directing the SEW to a convex surface that, with its edge, is conjugated with the flat face of sample 4 and has a track length shorter than the SEW propagation length . The cylindrical shape of the matching element 3 and the presence of a convex surface bounded by two planes intersecting on the axis of the cylinder allows us not only to generate SEW by source 1 radiation by the weakly dispersive end-fire method (Stegeman GI, Wallis RF, Maradudin A.A. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8 (7), p. 386-388) [7], but also effectively shield receiver 7 from spurious body waves generated in this case. In order to protect the receiver 7 from spurious radiation occurring at the junction of element 3 and sample 4, an opaque screen 16 is placed above the track, which is removed from the junction by a distance shorter than the propagation length and greater than the depth of penetration of PEV into the environment from the surface of sample 4.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность промера распределения поля ПЭВ, генерируемой излучением с λ=130 мкм на поверхности золота, напыленного на плоскую поверхность оптически полированного стекла, размещенного в воздухе. В этом случае длина распространения ПЭВ L≈38.4 мм, а глубина проникновения δ поля в воздух (расстояние вдоль нормали к поверхности образца, на котором интенсивность поля ПЭВ уменьшается в e≈2.718 раз) составляет 1.3 мм (Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, No. 17, 171912) [4]. Пусть точность измерения перемещения платформы 9 с элементом преобразования 5 (наклоненным на 45° плоским зеркалом) ПЭВ в объемное излучение вдоль трека и вдоль нормали к поверхности грани образца 4 равна 10 мкм. Тогда точность сохранения зазора между зеркалом 5 и образцом 4 при перемещении платформы 9 также составит 10 мкм, что обеспечит определение величин L и δ с относительными ошибками, не превышающими 1% и определяемыми отношением вариации интенсивности поля ПЭВ над треком в пределах 10 мкм (точность сохранения зазора). В случае же применения устройства, взятого в качестве прототипа, предполагающего параллельность поверхности образца 4 и траектории перемещения передней (по ходу излучения) кромки зеркала 5, погрешность этой параллельности в одну угловую минуту приведет к изменению величины зазора (при перемещении платформы 9 на расстояние 38.4 мм), равному 0.40 мм, что, в свою очередь, обусловит более чем 10% неопределенность искомых значений L и δ.As an example of the application of the inventive device, we consider the possibility of measuring the distribution of the SEW field generated by radiation with λ = 130 μm on the surface of gold sprayed on a flat surface of optically polished glass placed in air. In this case, the SEW propagation length is L≈38.4 mm, and the penetration depth δ of the field into the air (the distance along the normal to the sample surface, at which the SEW field intensity decreases by e≈2.718 times) is 1.3 mm (Gerasimov VV, V.A. Knyazev , Nikitin A.K., Zhizhin GN A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, No. 17, 171912) [4]. Let the accuracy of measuring the displacement of the platform 9 with the conversion element 5 (a plane mirror tilted at 45 °) SEW into volume radiation along the track and along the normal to the surface of the face of sample 4 be 10 μm. Then, the accuracy of maintaining the gap between the mirror 5 and sample 4 when moving the platform 9 will also be 10 μm, which will ensure the determination of L and δ with relative errors not exceeding 1% and determined by the ratio of the variation in the intensity of the SEW field over the track within 10 μm (conservation accuracy clearance). In the case of using the device, taken as a prototype, assuming parallelism of the surface of the sample 4 and the trajectory of the front (along the radiation) edge of the mirror 5, the error of this parallelism in one angular minute will lead to a change in the gap (when moving the platform 9 to a distance of 38.4 mm ), equal to 0.40 mm, which, in turn, will cause more than 10% uncertainty of the desired values of L and δ.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет повысить точность измерений и воспроизводимость их результатов как за счет строгого сохранения величины зазора между образцом и элементом преобразования ПЭВ в объемное излучение в процессе перемещения этого элемента вдоль трека, так и более эффективного экранирования приемника от паразитных засветок путем применения цилиндрического (а не плоскогранного) элемента преобразования излучения источника в ПЭВ.Thus, in comparison with the prototype, the claimed device allows to increase the accuracy of measurements and reproducibility of their results both due to the strict preservation of the gap between the sample and the element of conversion of SEW into volume radiation during the movement of this element along the track, and more effective screening of the receiver from spurious illumination by applying a cylindrical (rather than flat-faced) element for converting the radiation of a source into a SEW.

Источники информацииInformation sources

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.1. Surface polaritons. Electromagnetic waves on surfaces and media interfaces / Ed. V.M.Agranovich and D.L. Mills. - M .: Nauka, 1985 .-- 525 p.

2. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Селективное поглощение ПЭВ, распространяющейся по металлу в присутствии тонкой диэлектрической пленки // Письма в ЖЭТФ, 1976, т. 24, Вып. 4, с. 221-225.2. Zhizhin G.N., Moskaleva M.A., Shomina E.V., Yakovlev V.A. Selective absorption of SEW propagating through a metal in the presence of a thin dielectric film // Letters in JETP, 1976, v. 24, Vol. 4, p. 221-225.

3. Жижин Г.Н., Мустафина О.М., Никитин А.К. Устройство для измерения длины распространения ПЭВ ИК-диапазона // Патент РФ на изобретение №2380664. - Бюл. №3 от 27.01.2010 г. 3. Zhizhin G.N., Mustafina O.M., Nikitin A.K. A device for measuring the propagation length of an infrared sewband // RF Patent for the invention No. 2380664. - Bull. No 3 on January 27, 2010

4. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, No. 17, 171912.4. Gerasimov V.V., Knyazev V.A., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v. 98, No. 17, 171912.

5. Никитин A.K., Жижин Г.Н., Князев Б.А., Никитин В.В. Устройство для измерения длины распространения монохроматических поверхностных электромагнитных волн инфракрасного диапазона // Патент РФ на изобретение №2470269, Бюл. №35 от 20.12.2012 г.5. Nikitin A.K., Zhizhin G.N., Knyazev B.A., Nikitin V.V. A device for measuring the propagation length of monochromatic surface electromagnetic waves of the infrared range // RF patent for the invention No. 2470269, Bull. No 35 on December 20, 2012

6. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. 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 // Journal of the Optical Society of America (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190. (прототип)6. Gerasimov V.V., Knyazev V.A., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. 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 // Journal of the Optical Society of America (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190. (prototype)

7. Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin A.A. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8 (7), p. 386-388.7. Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin A.A. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8 (7), p. 386-388.

Claims (1)

Устройство для промера распределения поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) над ее треком, содержащее источник монохроматического излучения, элемент преобразования излучения в ПЭВ, твердотельный образец с направляющей волну плоской поверхностью, перемещаемую вдоль трека платформу, на которой размещены элемент преобразования ПЭВ в объемную волну (ОВ), выполненный в виде плоского зеркала, отражающая грань которого примыкает к поверхности образца, наклонена к ней под углом 45° и ориентирована перпендикулярно к треку, фокусирующий объектив, фотоприемник и подключенный к нему измерительный прибор, отличающееся тем, что платформа дополнительно содержит стойку, на которой установлены амортизированная пружинами рамка и регулировочный микровинт, сочлененный с размещенной внутри рамки площадкой, несущей элемент преобразования ПЭВ в ОВ, и способный перемещать площадку относительно рамки вдоль нормали к поверхности образца; причем пружины, упираясь в стойку, поджимают рамку к образцу, а сама рамка опирается на поверхность образца перемещающимися по ней упорами; кроме того, элемент преобразования излучения в ПЭВ выполнен в виде сектора цилиндра, ось которого ориентирована перпендикулярно плоскости падения излучения, а выпуклая поверхность этого элемента, способная направлять ПЭВ, сопряжена своим ребром с поверхностью образца и имеет протяженность трека меньше длины распространения ПЭВ.A device for measuring the distribution of the field of an infrared surface electromagnetic wave (SEW) over its track, containing a source of monochromatic radiation, an element for converting radiation into a SEW, a solid-state sample with a guiding wave flat surface, a platform moving along the track on which the element for converting SEW to a volume wave is placed ( OV), made in the form of a flat mirror, the reflecting face of which is adjacent to the surface of the sample, is inclined to it at an angle of 45 ° and is oriented perpendicular to the track , a focusing lens, a photodetector and a measuring device connected to it, characterized in that the platform further comprises a stand on which a frame spring-shock absorbed and an adjusting microscrew are mounted articulated with a platform placed inside the frame that carries the PEV to OB conversion element and capable of moving the platform relative to frames along the normal to the surface of the sample; moreover, the springs, resting on the rack, press the frame to the sample, and the frame itself is supported on the surface of the sample by moving stops along it; in addition, the element for converting radiation into SEW is made in the form of a sector of the cylinder, the axis of which is oriented perpendicular to the plane of incidence of radiation, and the convex surface of this element capable of guiding SEW is conjugated by its edge with the surface of the sample and has a track length less than the propagation length of SEW.
RU2016104697A 2016-02-11 2016-02-11 Device for measuring distribution of field of infrared surface electromagnetic wave on their track RU2625641C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016104697A RU2625641C1 (en) 2016-02-11 2016-02-11 Device for measuring distribution of field of infrared surface electromagnetic wave on their track

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016104697A RU2625641C1 (en) 2016-02-11 2016-02-11 Device for measuring distribution of field of infrared surface electromagnetic wave on their track

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2625641C1 true RU2625641C1 (en) 2017-07-17

Family

ID=59495318

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016104697A RU2625641C1 (en) 2016-02-11 2016-02-11 Device for measuring distribution of field of infrared surface electromagnetic wave on their track

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2625641C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2318192C1 (en) * 2006-06-09 2008-02-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Plasmon-based terahertz-range spectrometer for examination of conductive surface
US20130240734A1 (en) * 2010-07-28 2013-09-19 University Of Delaware Apparatus and method for performing surface plasmon resonance (spr) spectroscopy with an infrared (ir) spectrometer
RU2512659C2 (en) * 2012-07-03 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Method to measure length of distribution of infra-red superficial plasmons on real surface

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2318192C1 (en) * 2006-06-09 2008-02-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Plasmon-based terahertz-range spectrometer for examination of conductive surface
US20130240734A1 (en) * 2010-07-28 2013-09-19 University Of Delaware Apparatus and method for performing surface plasmon resonance (spr) spectroscopy with an infrared (ir) spectrometer
RU2512659C2 (en) * 2012-07-03 2014-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Method to measure length of distribution of infra-red superficial plasmons on real surface

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Gerasimov V.V. и др. "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 edge", JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA (B), т. 30, No 8, 2013 г., стр. 2182-2190. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6992770B2 (en) Sensor utilizing attenuated total reflection
CN107764776B (en) Multi-wavelength adjustable surface plasma resonance imaging device and application thereof
CN110927122B (en) Phase type SPR detection device and method based on interference spectrum
US4529319A (en) Method and apparatus for the detection of thermo-optical signals
CN108088810B (en) Humidity sensor based on terahertz plasma enhancement effect and system thereof
CN103884298A (en) System and method for measuring metal surface roughness on basis of guiding mold
RU2645008C1 (en) Device for measuring the length of infrared surface of the electromagnetic wave
CN103439294A (en) Angle modulation and wavelength modulation surface plasmon resonance (SPR) sharing system
RU2512659C2 (en) Method to measure length of distribution of infra-red superficial plasmons on real surface
US6831747B2 (en) Spectrometry and filtering with high rejection of stray light
RU2573617C1 (en) Infrared amplitude-phase plasmon spectrometer
RU2681427C1 (en) Device for measuring the length of infrared surface of the electromagnetic wave
Perino et al. Characterization of grating coupled surface plasmon polaritons using diffracted rays transmittance
RU2625641C1 (en) Device for measuring distribution of field of infrared surface electromagnetic wave on their track
JP2004245674A (en) Radiation temperature measuring apparatus
RU2477841C2 (en) Infrared amplitude-phase plasmon spectrometer
RU2709600C1 (en) Michelson interferometer for determination of refraction index of surface plasmon-polaritons of terahertz range
KR101721976B1 (en) Terahertz sensor
RU2653590C1 (en) Interferometer for determining reflective index of infrared surface electromagnetic wave
RU2703941C1 (en) Apparatus for converting infrared radiation into a surface electromagnetic wave on a flat face of a conductive body
RU2703772C1 (en) Apparatus for measuring the propagation length of an infrared surface electromagnetic wave
CN208847653U (en) Real-time polarization sensitive terahertz time-domain ellipsometer
RU2629928C2 (en) Method of determining refraction indicator of monochromatic surface electromagnetic wave of infrared range
RU2419779C2 (en) Method of determining refractivity of ir-range surface electromagnetic wave
RU2491533C1 (en) Method to determine depth of penetration of field of terahertz surface plasmons into environment