RU2681658C1

RU2681658C1 - Infrared range surface electromagnetic wave during one radiation pulse attenuation coefficient determination device

Info

Publication number: RU2681658C1
Application number: RU2018109126A
Authority: RU
Inventors: Алексей Константинович Никитин; Борис Александрович Князев; Василий Валерьевич Герасимов
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-03-12

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to the field of the materials surface study by optical methods, and concerns the infrared range surface electromagnetic wave (SEW) attenuation coefficient during the single radiation pulse determination device. Device includes the collimated p-polarized monochromatic radiation source, the source radiation into the SEW beam conversion element, having the flat face sample, and capable of the SEW directing, element for the original semiconductor beam division into two secondary beams, two focusing lenses and two photodetectors placed in these lenses foci, and coupled with the measuring instruments. SEW beam division element is made in the form of the flat beam-splitting plate with the given SEW known reflection and transmission coefficients, oriented perpendicular to the sample edge, adjacent to it and intersecting the original SEW beam.EFFECT: technical result consists in increase in the measurement procedure accuracy and its simplification.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области исследования поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно - к определению спектров поглощения, как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения коэффициента затухания поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых этой поверхностью в инфракрасной (ИК) и терагерцовой (ТГц) областях спектра, и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, в ИК-спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в контрольно-измерительной технике нанотехнологий, в лазерной и интегральной оптике.The invention relates to the field of studying the surface of metals and semiconductors by optical methods, namely, to determining the absorption spectra of both the surface itself and its transition layer by measuring the attenuation coefficient of surface electromagnetic waves (SEWs) directed by this surface in infrared (IR) and terahertz (THz) spectral regions, and can be used in studies of physicochemical processes on a solid surface, in IR spectroscopy of oxide and adsorbed layers, in control ritelnoy art of nanotechnology, in integrated optics and laser.

ПЭВ широко применяют в абсорбционной спектроскопии поверхности твердого тела и ее переходного слоя [1]. Метод абсорбционной ПЭВ-спектроскопии используют, в основном, в средней и дальней областях ИК диапазона, где длина распространения ПЭВ достигает 1000λ, (здесь λ - длина волны излучения в свободном пространстве) и может быть непосредственно измерена. Причем, так как расстояние взаимодействия зондирующего излучения с поверхностью при преобразовании его в ПЭВ многократно возрастает (по сравнению с отражательными методами изучения поверхности), то чувствительность метода абсорбционной ПЭВ-спектроскопии, соответственно, на много выше чувствительности иных абсорбционно-оптических методов контроля поверхности в ИК-диапазоне.SEWs are widely used in absorption spectroscopy of the surface of a solid and its transition layer [1]. The method of absorption PEV spectroscopy is used mainly in the middle and far regions of the IR range, where the SEW propagation length reaches 1000λ (here, λ is the radiation wavelength in free space) and can be directly measured. Moreover, since the interaction distance between the probe radiation and the surface when it is converted to SEW increases many times (compared to reflective methods for studying the surface), the sensitivity of the method of absorption PEV spectroscopy is, therefore, much higher than the sensitivity of other absorption-optical methods for monitoring the surface in IR -range.

Для определения коэффициента затухания ПЭВ α в РЖ-диапазоне измеряют длину распространения ПЭВ L - величину обратную α и равную расстоянию, на котором интенсивность поля ПЭВ уменьшается в е раз.To determine the SEW attenuation coefficient α in the RZ range, the SEW propagation length L is measured — the reciprocal of α and equal to the distance at which the SEW field intensity decreases by a factor of e.

Известно болометрическое устройство для определения коэффициента затухания ПЭВ за время одного импульса, содержащее импульсный источник р-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец в виде узкого прозрачного металлического слоя на плоской подложке, снабженного двумя электродами, последовательно подключенными к слою после элемента преобразования на расстоянии не менее чем на порядок превышающем ширину слоя, источник постоянного тока, усилитель и измеритель электрического напряжения [2]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) ограниченность класса ПЭВ, поддающихся контролю; 2) низкая точность измерений, обусловленная квазиадиабатичностью процесса передачи энергии ПЭВ образцу.A bolometric device for determining the SEW attenuation coefficient per pulse is known, containing a pulsed source of p-polarized monochromatic radiation, an element for converting the source radiation into a SEW beam, a sample in the form of a narrow transparent metal layer on a flat substrate, equipped with two electrodes connected in series with the layer after conversion element at a distance not less than an order of magnitude greater than the width of the layer, a constant current source, an amplifier and an electric meter Skog voltage [2]. The main disadvantages of such a device are: 1) the limited class of sewage devices that can be controlled; 2) low measurement accuracy due to the quasi-adiabaticity of the process of transferring the SEW energy to a sample.

Известно устройство для получения спектров поглощения тонких слоев в терагерцовой области спектра, содержащее перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью и исследуемым слоем на ней, элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ и обратно, выполненный как одно целое в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом, причем пластина своей гранью, обращенной к образцу, расположена в поле ПЭВ параллельно поверхности образца на расстоянии не меньше 10λ от нее и имеет длину вдоль трека ПЭВ не менее длины распространения ПЭВ, фотоприемное устройство, выполненное в виде линейки фотодетекторов и размещенное на верхней грани пластины, и блок обработки результатов измерений [3]. Известное устройство имеет следующие недостатки: 1) наличие пластины в поле ПЭВ искажает ее поле и обуславливает дополнительные (радиационные) потери ПЭВ, искажая таким образом результат измерений; 2) пластина перекрывает доступ к исследуемой поверхности, что часто является неприемлемым.A device is known for obtaining absorption spectra of thin layers in the terahertz region of the spectrum, containing a frequency-tunable laser radiation source, a solid-state sample with a flat surface and a test layer on it, an element for converting bulk radiation into SEW and vice versa, made as a unit in the form of a transparent plane-parallel plate with a beveled end, and the plate with its face facing the sample is located in the SEW field parallel to the surface of the sample at a distance of at least 10λ from it and it has a length along the SEW track not less than the SEW propagation length, a photodetector made in the form of a line of photodetectors and placed on the upper edge of the plate, and a processing unit for measuring results [3]. The known device has the following disadvantages: 1) the presence of a plate in the SEW field distorts its field and causes additional (radiation) losses of the SEW, thereby distorting the measurement result; 2) the plate blocks access to the test surface, which is often unacceptable.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для определения коэффициента затухания ПЭВ инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащее источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец, имеющий плоскую грань и способный направлять ПЭВ, элемент для разделения исходного пучка ПЭВ на два вторичных пучка, выполненный в виде уголкового зеркала, установленного на грани образца и ориентированного отражающими гранями перпендикулярно к ней, причем ребро этого зеркала, образованное отражающими гранями, расположено в плоскости падения, содержащей ось пучка излучения источника, два фокусирующих объектива и два фотоприемника, размещенных в фокусах этих объективов и сопряженных с измерительными приборами [4]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) низкая точность измерений из-за небольшого соотношения сигнал/шум, что является следствием дифракции излучения источника на ребре зеркала, сопровождаемой порождением веера паразитных приповерхностных волн, засвечивающих фотоприемники [5]; 2) необходимость прецизионной юстировки устройства с целью достижения равенства интенсивностей вторичных пучков на отражающих гранях зеркала и поддержания его в процессе измерений.The closest in technical essence to the claimed device is a device for determining the attenuation coefficient of the infrared electromagnetic radiation during a single pulse of radiation, containing a source of collimated p-polarized monochromatic radiation, an element for converting the radiation of the source into a PEV beam, a sample having a flat face and capable of directing SEW, an element for dividing the initial PEV beam into two secondary beams, made in the form of an angular mirror mounted on the face of the sample and orient perpendicular to it, and the edge of this mirror formed by the reflecting faces is located in the plane of incidence containing the axis of the radiation source beam, two focusing lenses and two photodetectors located at the foci of these lenses and paired with measuring instruments [4]. The main disadvantages of such a device are: 1) low measurement accuracy due to the small signal to noise ratio, which is a consequence of diffraction of the radiation of the source on the edge of the mirror, accompanied by the generation of a fan of spurious surface waves illuminating photodetectors [5]; 2) the need for precision alignment of the device in order to achieve equality of the intensities of the secondary beams on the reflecting faces of the mirror and maintain it in the measurement process.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности измерений и упрощение процедуры измерений.The technical result to which the invention is directed is to increase the accuracy of measurements and simplify the measurement procedure.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащем источник коллимированного р-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец, имеющий плоскую грань и способный направлять ПЭВ, элемент для разделения исходного пучка ПЭВ на два вторичных пучка, два фокусирующих объектива и два фотоприемника, размещенных в фокусах этих объективов и сопряженных с измерительными приборами, элемент для разделения пучка ПЭВ выполнен в виде плоской светоделительной пластинки с известным коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания данной ПЭВ, ориентированной перпендикулярно грани образца, примыкающий к ней и пересекающей исходный пучок ПЭВ.The technical result is achieved by the fact that in the device for determining the attenuation coefficient of a surface electromagnetic wave (SEW) of the infrared range during one radiation pulse containing a source of collimated p-polarized monochromatic radiation, an element for converting the source radiation into a PEV beam, a sample having a flat face and capable of send a SEW, an element for dividing the initial beam of SEW into two secondary beams, two focusing lenses and two photodetectors placed in the foci of their lenses and associated instrumentation, the element for separating the beam SEW is formed as a flat plate beamsplitter with a known reflectance and transmittance of the SEW, oriented perpendicular to the face of the sample adjacent thereto and intersecting the initial beam SEW.

Повышение точности измерений достигается увеличением соотношения сигнал/шум, вследствие использования в качестве элемента для разделения исходного пучка ПЭВ плоской светоделительной пластинки вместо уголкового зеркала. Взаимодействие пучка ПЭВ с однородной пластинкой, пересекающей трек пучка, сопровождается порождением значительно меньшего количества паразитных приповерхностных волн, чем при его взаимодействии с ребром зеркала, сопрягающим его отражающие грани [6].Improving the measurement accuracy is achieved by increasing the signal-to-noise ratio, due to the use of a flat beam splitting plate instead of a corner mirror as an element for separating the initial SEW beam. The interaction of the SEW beam with a homogeneous plate crossing the beam track is accompanied by the generation of a significantly smaller number of spurious surface waves than when it interacts with the edge of the mirror matching its reflecting faces [6].

Упрощение процедуры измерений также является результатом использования светоделительной пластинки вместо уголкового зеркала, поскольку при этом исчезает необходимость прецизионной юстировки устройства с целью достижения равенства интенсивностей вторичных пучков и поддержания его в процессе измерений.The simplification of the measurement procedure is also the result of using a beam splitter instead of a corner mirror, since this eliminates the need for precision alignment of the device in order to achieve equal intensities of the secondary beams and maintain it during the measurement process.

На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения; 2 - элемент преобразования излучения источника 1 в ПЭВ; 3 - плоская грань образца, способная направлять ПЭВ; 4 - плоская светоделительная пластинка с известным коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания данной ПЭВ, ориентированная перпендикулярно грани 3, примыкающая к ней и пересекающая исходный пучок ПЭВ; 5 - фокусирующие объективы; 6 - фотоприемники, размещенные в фокусах объективов 5; 7 - измерительные приборы G₁ и G₂, подключенные к выходам приемников 6.In FIG. 1 shows a diagram of the inventive device, where the numbers denote: 1 - a source of collimated p-polarized monochromatic radiation; 2 - element for converting the radiation of source 1 to SEW; 3 - a flat face of the sample, capable of directing SEW; 4 - a flat beam-splitting plate with a known reflection coefficient and transmittance of this SEW, oriented perpendicular to face 3, adjacent to it and intersecting the initial PEV beam; 5 - focusing lenses; 6 - photodetectors placed in the foci of the lenses 5; 7 - measuring instruments G ₁ and G ₂ connected to the outputs of the receivers 6.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 направляют на элемент 2, преобразующий излучение в параллельный пучок лучей ПЭВ на плоской грани 3 образца. Сформированный пучок ПЭВ достигает пластинки 4, разделяющей его на два вторичных пучка ПЭВ, энергия которых определяется коэффициентом отражения R и коэффициентом пропускания Т пластинки 4 для данной ПЭВ. Вторичные пучки распространяются по различным трекам и, пройдя соответствующие расстояния x₁ и х₂, достигают ребер грани 3. В результате дифракции на них 3 вторичные пучки ПЭВ практически со 100% эффективностью преобразуются в узконаправленное (в плоскости, перпендикулярной грани 4) излучение [7], направляемое объективами 5 на соответствующие приемники 6. Сигналы на выходах приемников 6, пропорциональные энергиям вторичных пучков ПЭВ на ребрах грани 3, измеряются приборами 7 и описываются выражениями: I₁=I_o⋅R⋅ехр(-α⋅х₁) и I₂=I_o⋅Т⋅ехр(-α⋅х₂); где I₁ - сигнал, порожденный пучком ПЭВ, отраженным пластинкой 4; где I₂ - сигнал, порожденный пучком ПЭВ, прошедшим через пластинку 4; I_o - энергия исходного пучка ПЭВ на входе в пластинку 4. Используя измеренные значения I₁, I₂, x₁ и х₂, а также известные значения R и T, рассчитывают значение коэффициента затухания ПЭВ α по формуле, полученной путем решения системы выражений для I₁ и I₂ относительно α:The inventive device operates as follows. The radiation from the source 1 is directed to element 2, which converts the radiation into a parallel beam of radiation from the surface electromagnetic waves on the flat face 3 of the sample. Formed beam PEV reaches plate 4, dividing it into two secondary beam SEW, the energy of which is determined by the reflection coefficient R and the transmittance T of plate 4 for this SEW. Secondary beams propagate along different tracks and, having passed the corresponding distances x ₁ and x ₂ , reach the edges of face 3. As a result of diffraction by them 3, secondary PEV beams are converted with almost 100% efficiency into narrowly directed (in a plane perpendicular to face 4) radiation [7 ] directed by the lenses 5 to the respective receivers 6. The signals at the outputs of the receivers 6, proportional to the energies of the secondary SEW beams on the edges of face 3, are measured by devices 7 and described by the expressions: I ₁ = I _o ⋅ R⋅exp (-α⋅x ₁ ) and I ₂ = I _o ⋅Т⋅ехр (-α⋅х ₂ ); where I ₁ is the signal generated by the SEW beam reflected by plate 4; where I ₂ is the signal generated by the SEW beam passing through the plate 4; I _o is the energy of the initial PEV beam at the entrance to the plate 4. Using the measured values of I ₁ , I ₂ , x ₁ and x ₂ , as well as the known values of R and T, calculate the value of the attenuation coefficient of the SEW α by the formula obtained by solving the system of expressions for I ₁ and I ₂ relative to α:

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность определения коэффициента затухания ПЭВ, генерируемых на поверхности алюминиевого образца, размещенного в воздухе, излучением с λ=130 мкм и длительностью импульсов 3 мкс. Диаметр d поперечного сечения пучка излучения источника 1 выберем равным 1,0 см, а в качестве элемента преобразования 2 - планарную дифракционную решетку с периодом 500 мкм и амплитудой гофра 100 мкм, длина и ширина которой не меньше d. Положим, что объективами 5 являются ТРХ(полиметилпентен)-линзы с фокусным расстоянием 25 мм [8]. В качестве приемников 6 выберем электрооптические детекторы импульсного ТГц излучения ЭОД-БИК [8], а каптоновую (полиимидную) пленку толщиной 0.14 мм с R=0.5 и T=0.45 для данной ПЭВ используем для деления пучка ПЭВ вместо пластинки 4 [6]. Пусть от пленки 4 до приемников 6 пучки ПЭВ-пучки проходят расстояния x₁=50 мм (отраженный пучок) и х₂=150 мм (прошедший через пленку 4 пучок), при этом отношение сигналов, вырабатываемых приборами G₁ и G₂ (см. Фиг. 1) равно 2.17. Тогда, согласно формуле (1), получим: α=6,7⋅10^-2 см^-1, что соответствует длине распространения ПЭВ равной 15.0 см. Отметим, что время измерений определяется фактически временем срабатывания приемников 6, которое в рассматриваемом примере составляет до 120 фс [8].As an example of the application of the inventive device, we consider the possibility of determining the attenuation coefficient of the SEW generated on the surface of an aluminum sample placed in air by radiation with λ = 130 μm and a pulse duration of 3 μs. We choose the diameter d of the cross section of the radiation beam of source 1 equal to 1.0 cm, and as the conversion element 2, we use a planar diffraction grating with a period of 500 μm and a corrugation amplitude of 100 μm, the length and width of which is not less than d. Suppose that lenses 5 are TPX (polymethylpentene) lenses with a focal length of 25 mm [8]. As detectors 6, we choose electro-optical detectors of THz pulsed radiation EOD-NIR [8], and the Kapton (polyimide) film 0.14 mm thick with R = 0.5 and T = 0.45 for this SEW is used to divide the SEW beam instead of plate 4 [6]. Let from the film 4 to the receivers 6 the PEV-beam beams travel distances x ₁ = 50 mm (reflected beam) and x ₂ = 150 mm (4 beam passed through the film), while the ratio of the signals generated by the devices G ₁ and G ₂ (see Fig. 1) is equal to 2.17. Then, according to formula (1), we get: α = 6.7⋅10 ^-2 cm ^-1 , which corresponds to the SEW propagation length equal to 15.0 cm. Note that the measurement time is actually determined by the response time of receivers 6, which in the example under consideration is up to 120 fs [8].

Таким образом, применение в заявляемом устройстве плоской светоделительной пластинки вместо уголкового зеркала для разделения исходного пучка ПЭВ позволяет не только упростить процедуру измерений, вследствие исключения необходимости прецизионной юстировки устройства с целью достижения равенства интенсивностей вторичных ПЭВ-пучков и поддержания его в процессе измерений, но и повысить точность измерений в результате увеличения соотношения сигнал/шум за счет значительного уменьшения количества и интенсивности паразитных приповерхностных волн, порождаемых при разделении исходного ПЭВ-пучка на вторичные.Thus, the use in the inventive device of a flat beam splitting plate instead of a corner mirror for separating the initial PEV beam allows not only to simplify the measurement procedure, due to the elimination of the need for precision alignment of the device in order to achieve equal intensities of the secondary PEV beams and maintain it during the measurement, but also to increase measurement accuracy as a result of an increase in the signal-to-noise ratio due to a significant decrease in the number and intensity of parasitic surfaces ostnyh waves generated by dividing the original beam on the NDV secondary.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:Sources of information taken into account when preparing the application:

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. Большаков М.М., Никитин А.К., Тищенко А.А., Самодуров Ю.И. Устройство для определения коэффициента поглощения ПЭВ металлическими пленками // Автор, св. СССР №1684634. - Бюл. №38 от 15.10.1991 г.2. Bolshakov M.M., Nikitin A.K., Tishchenko A.A., Samodurov Yu.I. A device for determining the absorption coefficient of PEV metal films // Author, sv. USSR No. 1684634. - Bull. No. 38 dated 10/15/1991

3. Никитин А.К., Жижин Г.Н., Богомолов Г.Д., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Устройство для получения спектров поглощения тонких слоев в терагерцовой области спектра // Патент РФ на изобретение №2345351. - Бюл. №3 от 27.01.2009 г.3. Nikitin A.K., Zhizhin G.N., Bogomolov G.D., Nikitin V.V., Chudinova G.K. A device for obtaining absorption spectra of thin layers in the terahertz region of the spectrum // RF patent for the invention No. 2345351. - Bull. No.3 of January 27, 2009

4. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны ИК диапазона за время одного импульса излучения // Патент РФ на изобретение №2400714. - Бюл. №27 от 27.09.2010 г. (прототип).4. Zhizhin G.N., Nikitin A.K., Nikitin V.V., Chudinova G.K. A method for determining the attenuation coefficient of a surface electromagnetic wave in the IR range during a single radiation pulse // RF patent for the invention No. 2400714. - Bull. No. 27 dated 09/27/2010 (prototype).

5. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К., Никитин В.В. Способ индикации дифракционных спутников поверхностных плазмонов терагерцового диапазона // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 21, с. 93-101.5. Gerasimov VV, Knyazev B.A., Nikitin A.K., Nikitin V.V. A method for indicating diffraction satellites of surface plasmons of the terahertz range // Letters in ZhTF, 2010, Volume 36, no. 21, p. 93-101.

6. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Reflection of terahertz surface plasmons from plane mirrors and transparent plates // Proc. of 41-st Intern. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz. Copenhagen, 25-30 Sept., 2016. - P. 7758410-7758411. (http://www.irmmw-thz2016.org/)6. Gerasimov V.V., Knyazev V.A., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Reflection of terahertz surface plasmons from plane mirrors and transparent plates // Proc. of 41-st Intern. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz. Copenhagen, 25-30 Sept., 2016 .-- P. 7758410-7758411. (http://www.irmmw-thz2016.org/)

7. Kotelnikov I.A., Gerasimov V.V., Knyazev B.A. Diffraction of surface wave on conducting rectangular wedge // Phys. Rev. (A), 2013, V. 87, 023828.7. Kotelnikov I.A., Gerasimov V.V., Knyazev B.A. Diffraction of surface wave on conducting rectangular wedge // Phys. Rev. (A), 2013, V. 87, 023828.

8. http://www.tvdexoptics.com/ru/products/thz_optics/thz_lens1/8. http://www.tvdexoptics.com/en/products/thz_optics/thz_lens1/

Claims

A device for determining the attenuation coefficient of a surface electromagnetic wave (SEW) of the infrared range during one radiation pulse, containing a source of collimated p-polarized monochromatic radiation, an element for converting the source radiation into a PEV beam, a sample having a flat face and capable of directing a SEW, an element for separating the source PEV beam into two secondary beams, two focusing lenses and two photodetectors located at the foci of these lenses and associated with measuring devices, characterized in that the element for separating the SEW beam is made in the form of a flat beam-splitting plate with a known reflection coefficient and transmittance of this SEW oriented perpendicular to the sample face adjacent to it and intersecting the initial PEV beam.