RU2629928C2 - Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона - Google Patents
Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона Download PDFInfo
- Publication number
- RU2629928C2 RU2629928C2 RU2016104148A RU2016104148A RU2629928C2 RU 2629928 C2 RU2629928 C2 RU 2629928C2 RU 2016104148 A RU2016104148 A RU 2016104148A RU 2016104148 A RU2016104148 A RU 2016104148A RU 2629928 C2 RU2629928 C2 RU 2629928C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mirror
- sample
- plane
- radiation
- sew
- Prior art date
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
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/4133—Refractometers, e.g. differential
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона. Способ включает в себя генерацию волны на плоской поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений. Регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца. Зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения. При проведении измерений плавно увеличивают от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется. Величину показателя рассчитывают по формуле: Технический результат заключается в уменьшении продолжительности и трудоемкости измерений. 3 ил.
Description
Изобретение относится к оптике конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных твердых тел, способных направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) инфракрасного (ИК) диапазона, а также - для исследования переходного слоя на поверхности таких тел и в оптических сенсорных устройствах (Welford K. Surface plasmon-polaritons and their use // Optical and Quantum Electronics, 1991, v. 23, p. 1-27) [1].
Известен способ определения показателя преломления ПЭВ ИК области спектра, включающий формирование интерферограммы в результате сложения двух производных ПЭВ, полученных путем разделения исходной и прошедших по образцу различные расстояния, регистрацию интерферограммы в плоскости поверхности образца, расчет показателя преломления по результатам измерения периода интерферограммы (Патент РФ на изобретение №2372591) [2].
Основной недостаток способа - низкая точность определения показателя преломления, что обусловлено сравнимостью периода интерферограммы с размером чувствительного элемента (пикселя) линейки фотоприемников, регистрирующей интерференционную картину.
Известен способ определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающий формирование и анализ интерферограммы, получаемой в результате сложения объемной волны, являющейся частью пучка излучения, генерирующего ПЭВ, и поля исследуемой ПЭВ при перемещении в плоскости падения вдоль трека ПЭВ прилегающей к образцу линейки фотоприемников, а также - расчет искомого показателя по результатам измерений (Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.K. Terahertz dispersive spectros-copy for thin-film study via surface-plasmon - bulk wave interference // Вестник НГУ (Физика), 2010, т. 5, №4, c. 158-161) [3].
Основной недостаток способа - низкая точность определения показателя преломления, вследствие наличия сильной засветки линейки приемников паразитными объемными волнами, исходящими от элемента преобразования излучения источника в ПЭВ и от неоднородностей поверхности на треке ПЭВ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающий генерацию волны на поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого фиксирована и наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию интерферограммы, получаемой при перемещении зеркала вдоль трека ПЭВ в результате сложения объемных волн, одна из которых является частью пучка излучения, генерирующего ПЭВ, а вторая порождена ПЭВ в результате ее взаимодействия с зеркалом, и - расчет искомого показателя преломления по результатам измерений (Патент РФ на изобретение №2470257). [4].
Основной недостаток способа - большая продолжительность измерений, что обусловлено необходимостью перемещения зеркала над образцом на макроскопическое расстояние (сантиметры) на котором ПЭВ приобретает набег фазы порядка 2π, а также - большая трудоемкость измерений, обусловленная необходимостью их выполнения во множестве точек трека.
Задача изобретения состоит в создании нового способа определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона (являющегося вещественной частью комплексного показателя преломления ПЭВ), техническим результатом которого является уменьшение продолжительности и трудоемкости измерений.
Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающем генерацию волны на поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений, согласно изобретению, регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца, зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения, и, плавно увеличивая от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется, а величину искомого показателя κ' рассчитывают по формуле: .
Уменьшение продолжительности измерений и снижение их трудоемкости в предлагаемом способе достигается в результате отказа от амплитудно-фазовых измерений и выполнении вместо них измерения угла наклона зеркала, при котором интенсивность отраженной зеркалом ПЭВ становится равной нулю (обнуляется).
Покажем, каким образом можно определить показатель преломления ПЭВ ИК-диапазона, не прибегая к трудоемким интерферометрическим измерениям (как это необходимо делать в способе-прототипе).
Известно, что вещественная часть k' волнового числа ПЭВ k больше волнового числа ko=2π/λ плоской волны в воздухе (где λ - длина этой волны), что обуславливает неизлучающий характер ПЭВ [1]. Отношение k/kо=κ называют комплексным показателем преломления ПЭВ, а его вещественную часть Re(κ)=κ' - просто, показателем преломления ПЭВ, так как частное от деления скорости света на κ' равно фазовой скорости ПЭВ. При размещении в поле ПЭВ какого-либо предмета (края экрана, дифракционной решетки на поверхности образца, ребра прозрачной призмы и т.п.), волновой вектор ПЭВ , в результате дифракции волны на этом предмете, получает отрицательное приращение . Если выполняется условие:
где Δk - модуль приращения , то ПЭВ преобразуется в плоскую волну, распространяющуюся в окружающей среде (обычно, воздухе) под некоторым углом к поверхности образца. Если таким предметом является плоское зеркало, отражающая грань которого примыкает к поверхности образца, перпендикулярна треку ПЭВ и отклонена (в сторону направления распространения ПЭВ) от нормали к поверхности на угол α, а величина Δk удовлетворяет равенству (1), то ПЭВ трансформируется в плоскую волну, распространяющуюся под углом 2α к поверхности в направлении, противоположном ходу ПЭВ (Рис. 1, где: 1 - образец; 2 - зеркало).
Однако, если условие (1) не выполнено, то ПЭВ сохраняет свою природу и, после взаимодействия с зеркалом, распространяется по образцу в обратную сторону. Размещение зеркала в плоскости, не содержащей нормали к плоскости падения излучения (т.е. поворот зеркала на угол β относительно трека ПЭВ, см. Рис. 2б), приводит только к изменению направления распространения отраженной ПЭВ в соответствии законом отражения плоской волны плоским зеркалом (Bell R.J., Goben С.А., Davarpanah М, Bhasin K., Begley D.L., Bauer A.C. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves // Applied Optics, 1975, v. 14 (6), p. 1322-1325.) [5]. Поскольку проекция волнового вектора ПЭВ на направление распространения порожденной на зеркале плоской волны, при выполнении равенства (1), должна быть равна ko то, согласно Рис. 1 и с учетом факта, что [1], имеем ko/k'=cos(2α). Отсюда получим расчетную формулу:
Таким образом, плавно увеличивая угол α наклона зеркала и регистрируя его значение α*, при котором интенсивность отраженной ПЭВ становится равной нулю, а падающая на зеркало ПЭВ преобразуется в плоскую волну, можно рассчитать по формуле (2) искомое значение показателя преломления κ' монохроматической ПЭВ.
Изобретение поясняется чертежами: на Рис. 1 представлена векторная диаграмма преобразования ПЭВ в плоскую волну при взаимодействии с плоским зеркалом, отражающая грань которого перпендикулярна плоскости падения и наклонена на угол α относительно нормали к поверхности образца; на Рис. 2 (а - вид сбоку; б - вид сверху) изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ; на Рис. 3 приведена расчетная зависимость функции (κ'-1) от угла α, позволяющая определить значение показателя преломления ПЭВ κ' по измеренному значению α*.
Заявляемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на Рис. 2, где цифрами обозначены: 1 - образец, имеющий две способные направлять ПЭВ плоские грани, сопряженные закругленным ребром 3 с радиусом R, удовлетворяющим условию 10λ<R<L (где L - длина распространения ПЭВ); 2 - плоское зеркало, снабженное двумя осями вращения, одна из которых совпадает с ребром отражающей грани зеркала, прилегающим ко второй (по ходу пучка ПЭВ) грани образца 1, а вторая совпадает с нормалью к этой грани, восстановленной из центра пучка ПЭВ на выше упомянутом ребре зеркала; 4 - источник р-поляризованного монохроматического ИК излучения; 5 - элемент преобразования излучения источника 4 в ПЭВ; 6 - фотоприемник, размещенный на свободном ребре первой грани образца 1; 7 - измерительный прибор, подключенный к фотоприемнику 6.
Устройство работает, и способ осуществляется, следующим образом. Излучение источника 4, коллимированное в плоскости перпендикулярной плоскости падения, направляют на элемент 5, преобразующий объемную волну в параллельный пучок лучей ПЭВ на первой грани образца 1. Пройдя эту грань (содержащую элемент 5), ПЭВ преодолевает (с небольшими дополнительными, по сравнению с плоской поверхностью, радиационными потерями) закругленное ребро 3 и переходит на вторую грань образца 1. Пройдя некоторое расстояние по второй грани, ПЭВ взаимодействует с зеркалом 2, ребро которого, прилегающее к поверхности образца 1, отклонено от нормали к треку ПЭВ на угол β, что позволяет разнести треки поверхностных волн (падающей на зеркало 2 и отраженной от него) на угол 2β. В исходном состоянии зеркало 2 ориентировано перпендикулярно к поверхности образца 1, поэтому отраженное излучение существует в форме ПЭВ, которая достигает ребра 3, переходит со второй на первую грань образца 1 и падает на входное отверстие приемника 6, порождая регистрируемый прибором 7 сигнал. Затем зеркало 2 отклоняют от нормали к поверхности второй грани образца 1, постепенно увеличивая угол α и контролируя при этом величину сигнала, регистрируемого прибором 7. При некотором значении α=α* достигается равенство (1) и падающая на зеркало ПЭВ преобразуется в плоскую волну, уходящую в окружающую среду под углом 2α*, что сопровождается обнулением интенсивности отраженной ПЭВ и сигнала на приборе 7. Искомое значение показателя преломления κ' либо рассчитывают по формуле (2), подставляя в нее измеренное значение угла α*, либо определяют его по предварительно построенному графику зависимости (κ'-1) от α, рассчитанному по формуле (2) и представленному на Рис. 3. Наличие у образца 1 двух сопряженных скругленным ребром 3 плоских граней объясняется необходимостью экранирования приемника 6 от паразитных засветок его объемными волнами, порождаемыми при дифракции излучения источника 1 на элементе 5.
В качестве примера применения заявляемого способа, рассмотрим возможность определения показателя преломления ПЭВ, генерируемой излучением с λ=50 мкм на размещенной в вакууме плоской поверхности. Пусть зеркало 2, отражающее ПЭВ, установлено на гониометре, имеющем инструментальную погрешность равную 10ʺ, что соответствует 5×10-5 радиан, а измеренное значение угла α*=1°30'00ʺ; тогда искомое значение κ', согласно графику на Рис. 3, равно 1.00137±5×10-5. При этом, для определения значения α* исследователю потребуется контролировать наличие сигнала с прибора 7, изменяя угол наклона α зеркала 2 не более 540 раз (частное от деления значения угла α* на погрешность гониометра, равную 10ʺ). Определение же величины κ' способом, взятом в качестве прототипа, при соблюдении прочих равных условий измерений потребует значительно больше времени и усилий, поскольку этот способ-прототип предусматривает, во-первых, два этапа измерений (вначале амплитудных, затем фазовых), и, во-вторых, - для его реализации, при одной и той же точности определения κ', необходимо будет оценить результат интерференции опорного и реперного пучков в 5000 положениях наклонного зеркала, перемещаемого вдоль трека ПЭВ с шагом 10 мкм на расстояние 50 мм, соответствующее изменению разности фаз пучков на 2π.
Таким образом, замена двухэтапной методики амплитудно-фазовых измерений на определение угла наклона зеркала, при котором интенсивность отраженной им ПЭВ обнуляется, позволяет значительно упростить процедуру измерений, уменьшить ее продолжительность и трудоемкость без понижения точности определения показателя преломления ПЭВ.
Источники информации
1. Welford K. Surface plasmon-polaritons and their use // Optical and Quantum Electronics, 1991, v. 23, p. 1-27.
2. Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин A.K., Хитров О.В. Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасной области спектра // Патент РФ на изобретение №2372591. - Бюл. №31 от 10.11.2009 г.
3. Gerasimov V.V., Knyazev В.A., Nikitin А.K. Terahertz dispersive spectros-copy for thin-film study via surface-plasmon - bulk wave interference // Вестник НГУ (Физика), 2010, т. 5, №4, c. 158-161.
4. Никитин A.K., Кирьянов А.П., Жижин Г.Н., Чудинова Г.К. Способ определения толщины однородного нанослоя в инфракрасном излучении // Патент РФ на изобретение №2470257. Бюл. №35 от 20.12.2012 г. (прототип)
5. Bell R.J., Goben С.А., Davarpanah М., Bhasin K., Begley D.L., Bauer A.C. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves // Applied Optics, 1975, v. 14 (6), p. 1322-1325.
Claims (1)
- Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона, включающий генерацию волны на плоской поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений, отличающийся тем, что регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца, зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения, и, плавно увеличивая от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется, а величину искомого показателя рассчитывают по формуле:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016104148A RU2629928C2 (ru) | 2016-02-09 | 2016-02-09 | Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016104148A RU2629928C2 (ru) | 2016-02-09 | 2016-02-09 | Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016104148A RU2016104148A (ru) | 2017-08-14 |
RU2629928C2 true RU2629928C2 (ru) | 2017-09-04 |
Family
ID=59633094
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016104148A RU2629928C2 (ru) | 2016-02-09 | 2016-02-09 | Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2629928C2 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2681427C1 (ru) * | 2018-03-14 | 2019-03-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263923C1 (ru) * | 2004-03-22 | 2005-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра |
RU2470257C1 (ru) * | 2012-02-21 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ определения толщины однородного нанослоя в инфракрасном излучении |
US8976360B2 (en) * | 2011-01-26 | 2015-03-10 | Institute Of National Colleges Of Technology, Japan | Surface plasmon sensor and method of measuring refractive index |
-
2016
- 2016-02-09 RU RU2016104148A patent/RU2629928C2/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263923C1 (ru) * | 2004-03-22 | 2005-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра |
US8976360B2 (en) * | 2011-01-26 | 2015-03-10 | Institute Of National Colleges Of Technology, Japan | Surface plasmon sensor and method of measuring refractive index |
RU2470257C1 (ru) * | 2012-02-21 | 2012-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ определения толщины однородного нанослоя в инфракрасном излучении |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
V. V. Gerasimov и др. "Interference Refractometry of Terahertz Surface Plasmon-Polaritons Launched by a Free-Electron Laser", BULLETIN OF PFUR SERIES MATHEMATICS INFORMATION SCIENCES PHYSICS, No 2, 2013 г. стр.191-200. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2681427C1 (ru) * | 2018-03-14 | 2019-03-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2016104148A (ru) | 2017-08-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN100573036C (zh) | 一种薄膜厚度和折射率的光学测量方法 | |
US20070279635A1 (en) | Measuring apparatus and method using surface plasmon resonance | |
RU2318192C1 (ru) | Плазмонный спектрометр терагерцового диапазона для исследования проводящей поверхности | |
KR20080100343A (ko) | 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이를 사용하여 샘플을 검출하는 방법 | |
JP3582311B2 (ja) | 媒質の測定方法および測定装置 | |
CN105333815A (zh) | 一种基于光谱色散线扫描的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统 | |
Nikitin et al. | In-plane interferometry of terahertz surface plasmon polaritons | |
CN103439294A (zh) | 角度调制与波长调制spr共用系统 | |
RU2629928C2 (ru) | Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона | |
RU2645008C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
Gerasimov et al. | Planar Michelson interferometer using terahertz surface plasmons | |
RU2709600C1 (ru) | Интерферометр Майкельсона для определения показателя преломления поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона | |
RU2400714C1 (ru) | Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения | |
US3232165A (en) | Interferometer having plural slit source | |
RU2419779C2 (ru) | Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона | |
RU2653590C1 (ru) | Интерферометр для определения показателя преломления инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
RU2479833C2 (ru) | Способ локализации неоднородностей металлической поверхности в инфракрасном излучении | |
RU2477841C2 (ru) | Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр | |
RU2681427C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
JP2004245674A (ja) | 放射温度測定装置 | |
RU2263923C1 (ru) | Способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра | |
RU2372591C1 (ru) | Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасной области спектра | |
RU2660764C2 (ru) | Сенсор на основе поверхностно-плазмонного резонанса с элементом плоской оптики | |
Karabegov | Metrological and technical characteristics of total internal reflection refractometers | |
JP2011106920A (ja) | 回転・傾斜計測装置および方法 |