RU2699304C1 - Устройство для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения - Google Patents
Устройство для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2699304C1 RU2699304C1 RU2018146958A RU2018146958A RU2699304C1 RU 2699304 C1 RU2699304 C1 RU 2699304C1 RU 2018146958 A RU2018146958 A RU 2018146958A RU 2018146958 A RU2018146958 A RU 2018146958A RU 2699304 C1 RU2699304 C1 RU 2699304C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sew
- radiation
- face
- edges
- sample
- 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области исследования поверхности материалов оптическими методами и касается устройства для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения. Устройство содержит источник излучения, цилиндрический фокусирующий объектив, твердотельный образец со способной направлять ПЭВ плоской прямоугольной гранью, элемент преобразования излучения источника в коллимированный пучок ПЭВ, лучеразделитель, расщепляющий пучок на два вторичных пучка, и два фотоприемника, размещенных у освещаемых вторичными пучками участков ребер грани. Элемент преобразования изготовлен в форме цилиндрического сегмента, примыкающего одним из ребер выпуклой поверхности к грани образца. Лучеразделитель выполнен в виде плоской светоделительной пластинки, установленной на грани образца и ориентированной перпендикулярно к ней таким образом, что пластинка пересекает трек ПЭВ, исходящих от элемента преобразования, под углом 45°, причем один из фотоприемников размещен в плоскости падения излучения, а второй - в плоскости, перпендикулярной к ней. Технический результат заключается в повышении соотношения сигнал/шум и упрощении процедуры измерений. 1 ил.
Description
Изобретение относится к бесконтактным исследованиям поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно - к определению спектров поглощения, как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения длины распространения поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), направляемой этой поверхностью, в инфракрасном диапазоне (ИК) спектра 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 нанотехнологий.
Спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПЭВ [1, 2]. В ИК-диапазоне применяют, главным образом, абсорбционную ПЭВ-спектроскопию, предполагающую измерение длины распространения ПЭВ L, достигающую 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, то его чувствительность на много превышает чувствительность иных оптических методов контроля поверхности в ИК-диапазоне. Более того, в терагерцовой (ТГц) части ИК-диапазона метод ПЭВ-спектроскопии в настоящее время не имеет альтернативы при исследовании проводящей поверхности, ввиду близости коэффициента отражения металлов на этих частотах к 100% [3].
Известно устройство для исследования тонких слоев методом абсорбционной ПЭВ-спектроскопии в ТГц области спектра, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, объединенные в один элементы преобразования излучения источника в ПЭВ и обратно, выполненные в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом, обращенной основанием к образцу, внедренной в поле ПЭВ и расположенной параллельно поверхности образца на расстоянии не меньше 10λ, причем размер пластины в плоскости падения не меньше длины распространения ПЭВ, а также - фотоприемное устройство, выполненное в виде линейки фото детекторов и размещенное на верхней грани пластины [4]. Основным недостатком такого устройства является искажение результатов измерений вследствие внедрения пластины в поле ПЭВ, что приводит к увеличению потерь энергии ПЭВ на излучение и, как следствие, к уменьшению длины распространению ПЭВ по сравнению с невозмущенной поверхностью образца.
Известно устройство для определения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов (ПП) - разновидности ПЭВ - по реальной поверхности, способное выполнять измерение за время одного импульса излучения источника и содержащее источник излучения, поляризатор, цилиндрический фокусирующий объектив, образец с плоской гранью, направляющей ПП, призменный элемент преобразования излучения источника в ПП и обратно, два одинаковых фотоприемных комплекта, размещенных вне поля ПП и состоящих из регулируемой диафрагмы, собирающей линзы и фотодетектора, установленного в фокусе линзы и подключенного к измерительному прибору, каждый [5]. Основным недостатком этого устройства является зависимость результатов измерений от степени однородности поверхности, поскольку оно адекватно функционирует только при условии статистически равномерного распределения неоднородностей по треку ПП; кроме того, для устройства характерно низкое соотношение сигнал/шум в случае поверхности с малыми неоднородностями, когда радиационные потери ПП невелики (по сравнению с джоулевыми потерями).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, реализующее способ определения коэффициента затухания ПЭВ ИК диапазона за время одного импульса излучения и содержащее источник излучения, твердотельный образец с плоской прямоугольной гранью, способной направлять ПЭВ, элемент преобразования излучения источника в ПЭВ и два фотоприемника, размещенных у кромок грани и подключенных к раздельным измерительным приборам [6].
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение соотношения сигнал/шум и упрощение процедуры измерений.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для определения длины распространения ПЭВ инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащем источник излучения, цилиндрический фокусирующий объектив, твердотельный образец со способной направлять ПЭВ плоской прямоугольной гранью, элемент преобразования излучения источника в коллимированный пучок ПЭВ, лучеразделитель, расщепляющий пучок на два вторичных пучка, и два фотоприемника, размещенных у освещаемых вторичными пучками участков ребер грани и подключенных к раздельным измерительным приборам, элемент преобразования изготовлен в форме цилиндрического сегмента, примыкающего одним из ребер выпуклой поверхности к грани образца, а лучеразделитель выбран в виде плоской светоделительной пластинки, установленной на грани и ориентированную перпендикулярно к ней таким образом, что пластинка пересекает трек ПЭВ, исходящих от элемента преобразования, под углом 45°, причем один из фотоприемников размещен в плоскости падения излучения, а второй - в плоскости, перпендикулярной к ней.
Повышение соотношения сигнал/шум в процессе измерений обеспечивается заменой двух элементов схемы устройства-прототипа на их аналоги с более низким уровнем шума, обусловленного паразитными приповерхностными объемными волнами. Во-первых, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, изготовленный в виде планарной дифракционной решетки на волноведущей грани образца, предложено заменить на цилиндрический сегмент, примыкающий одним ребер его выпуклой поверхности к направляющей ПЭВ грани образца. Такой элемент преобразования позволяет не только трансформировать объемную волну в поверхностную [7], но и эффективно экранирует (горизонтом своей выпуклой поверхности) фотоприемник от паразитных объемных волн, порождаемых при дифракции излучения источника на свободном ребре его выпуклой поверхности [8]. Во-вторых, в качестве лучеразделителя предложено использовать плоскую светоделительную пластинку вместо уголкового зеркала, отражающие грани которого перпендикулярны к поверхности образца и образуют ребро, проходящее через центр исходного пучка ПЭВ. Вследствие дифракции пучка на ребре зеркала (в устройстве-прототипе) образуется веер паразитных приповерхностных объемных волн, засвечивающих фотоприемники и порождающих в них большой шумовой фототок. При делении же пучка с помощью пластинки (в заявляемом устройстве) интенсивность паразитных волн значительно меньше, чем при использовании зеркала [9], что и позволяет снизить уровень шума фототока в обоих приемниках.
Упрощение процедуры измерений достигается в результате устранения необходимости установки лучеразделителя на грани образца таким образом, чтобы энергии обоих вторичных пучков ПЭВ были строго одинаковы. В устройстве-прототипе это условие выполняется путем прецизионного перемещения уголкового зеркала в плоскости, перпендикулярной плоскости падения исходного пучка ПЭВ. В заявляемом же устройстве нет необходимости выполнять выше упомянутое условие, поскольку длину распространения ПЭВ рассчитывают путем нахождения отношения интенсивностей прошедшего (через пластинку) и отраженного (пластинкой) пучков ПЭВ, обе из которых пропорциональны интенсивности исходного пучка.
На чертеже приведена схема (вид сверху) заявляемого устройства, где 1 - источник р-поляризованного монохроматического излучения, 2 - цилиндрический фокусирующий объектив; 3 - элемент преобразования излучения источника 1 в пучок ПЭВ, имеющий форму цилиндрического сегмента, выпуклая поверхность которого способна направлять ПЭВ; 4 - плоская прямоугольная грань образца, к одному из ребер которой примыкает своей выпуклой поверхностью элемент 3; 5 - плоская светоделительная пластинка, установленная на грани 4 и ориентированная перпендикулярно к ней таким образом, что пересекает пучок ПЭВ, исходящих от элемента 3, под углом 45°; 6 - фотоприемник, примыкающий к ребру грани 4, освещаемому прошедшим через пластинку 5 пучком ПЭВ; 7 - измерительный прибор, подключенный к приемнику 6; 8 - фотоприемник, примыкающий к ребру грани 4, освещаемому отраженным от пластинки 5 пучком ПЭВ; 9 - измерительный прибор, подключенный к приемнику 8.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на объектив 2 и фокусируется им на свободное ребро цилиндрической поверхности элемента 3. Вследствие дифракции на этом ребре излучение с некоторой эффективностью преобразуется в пучок ПЭВ [8], направляемый выпуклой поверхностью элемента 3. Дойдя до противоположного ребра цилиндрической поверхности элемента 3, пучок ПЭВ переходит на плоскую грань 4 образца. Пройдя по ней в плоскости падения излучения расстояние х1, исходный пучок ПЭВ достигает светоделительной пластинки 5. На ней исходный пучок разделяется на два вторичных пучка: прошедший через пластинку 5 и отраженный от нее. Прошедший пучок, пройдя расстояние х2, достигает ребра грани 4 и поглощается фотоприемником 6, который продуцирует измеряемый прибором 7 сигнал IT=I0⋅Т⋅ехр[-α⋅(х1+x2)], где I0 - сигнал, который порождал бы фотоприемник при размещении на стыке элемента 3 и грани 4; Т - коэффициент пропускания пластинки 5 на длине волны излучения источника 1; α - коэффициент затухания ПЭВ. Пучок, отраженный пластинкой 5, пройдя расстояние х3, достигает другого ребра грани 4 и поглощается фотоприемником 8, который продуцирует измеряемый прибором 9 сигнал IR=I0⋅R⋅ехр[-α⋅(х1+х3)], где R - коэффициент отражения излучения источника 1 пластинкой 5. Тогда, располагая результатами измерений значений IT и IR, а также зная расстояния х2 и х3, можно рассчитать длину распространения ПЭВ L по формуле, получаемой из отношения IT/IR:
где Т и R - предварительно измеренные значения коэффициентов пропускания и отражения пластинки 5 при угле падения 45°.
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность определения с его помощью длины распространения описанной в прототипе ПЭВ, которая генерируется на поверхности алюминиевого образца, размещенного в воздухе, лазерным излучением с λ=110 мкм и длительностью импульсов 3 мкс [6]. В качестве элемента преобразования 3 выберем цилиндрический сегмент, являющийся одной восьмой частью стеклянного диска толщиной 25 мм и радиусом кривизны равным 60 мм; выпуклая поверхность диска покрыта непрозрачным слоем напыленного металла, содержащим 1 мкм покрытие из сульфида цинка для повышения эффективности преобразования [8]. В качестве приемников 6 и 8, как и в устройстве-прототипе, выберем детекторы МГ-32. Роль светоделителя 5 отведем каптоновой пленке (с комплексной диэлектрической проницаемостью толщиной 0.14 мм, ориентированной под 45° относительно плоскости падения излучения на элемент 3. Измеренные значения коэффициентов отражения и пропускания равны R=0.28 и T=0.52, соответственно [9]. Пусть расстояния х2=150 мм и х3=50 мм, при этом отношение сигналов IT/IR, вырабатываемых приборами 9 и 7, равно 1.05. Тогда, согласно формуле (1), получим: L≈14.97 см, что соответствует экспериментально определенному значению длины распространения ПЭВ [10].
Таким образом, заявляемое устройство позволяет определять длину распространения инфракрасной ПЭВ за время одного импульса излучения путем реализации более простой, по сравнению с прототипом, процедуры измерений, характеризуемых более высоким соотношением сигнал/шум.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
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.
2. Zhizhin G.N., Yakovlev V.A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves // Physics Reports. - 1990. - v. 194. - No.5/6. - p. 281-289.
3. Ordal M.A., Long L.L., Bell R.J. et al. Optical properties of metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti and W in the infrared and far infrared // Applied Optics. - 1983. - v. 22. - No.7. - p. l099-1120.
4. 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.
5. Князев Б.А., Никитин А.К., Жижин Г.Н. Способ измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов по реальной поверхности // Патент РФ на изобретение №2512659. - Бюл. №1 от 10.01.2014 г.
6. 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).
7. Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin A.A. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8, No. 7, p. 386-388.
8. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Growth of terahertz surface plasmon propagation length due to thin-layer dielectric coating // JOSA (B), 2016, v. 33, Is. 11, p. 2196-2203.
9. Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Lemzyakov A.G. et al. Splitting of terahertz surface plasmons by polyimide films // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series, 2018, v. 1092, 012040 (doi: 10.1088/1742-6596/1092/1/012040)
10. Жижин Г.Н., Никитин A.К., Богомолов Г.Д. и др. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух" // Оптика и спектроскопия, 2006, Т. 100, №5, с. 798-802.
Claims (1)
- Устройство для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащее источник излучения, цилиндрический фокусирующий объектив, твердотельный образец со способной направлять ПЭВ плоской прямоугольной гранью, элемент преобразования излучения источника в коллимированный пучок ПЭВ, лучеразделитель, расщепляющий пучок на два вторичных пучка, и два фотоприемника, размещенных у освещаемых вторичными пучками участков ребер грани и подключенных к раздельным измерительным приборам, отличающееся тем, что элемент преобразования изготовлен в форме цилиндрического сегмента, примыкающего одним из ребер выпуклой поверхности к грани образца, а лучеразделитель выбран в виде плоской светоделительной пластинки, установленной на грани образца и ориентированной перпендикулярно к ней таким образом, что пластинка пересекает трек ПЭВ, исходящих от элемента преобразования, под углом 45°, причем один из фотоприемников размещен в плоскости падения излучения, а второй - в плоскости, перпендикулярной к ней.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018146958A RU2699304C1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Устройство для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018146958A RU2699304C1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Устройство для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2699304C1 true RU2699304C1 (ru) | 2019-09-04 |
Family
ID=67851868
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018146958A RU2699304C1 (ru) | 2018-12-26 | 2018-12-26 | Устройство для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2699304C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2400714C1 (ru) * | 2009-04-02 | 2010-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения |
JP2012132886A (ja) * | 2010-12-24 | 2012-07-12 | Konica Minolta Holdings Inc | 金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法及び金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置 |
RU2600575C1 (ru) * | 2015-09-04 | 2016-10-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ раздвоения плазмон-поляритонного канала связи терагерцового диапазона |
RU2645008C1 (ru) * | 2016-12-12 | 2018-02-15 | 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 |
-
2018
- 2018-12-26 RU RU2018146958A patent/RU2699304C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2400714C1 (ru) * | 2009-04-02 | 2010-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения |
JP2012132886A (ja) * | 2010-12-24 | 2012-07-12 | Konica Minolta Holdings Inc | 金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法及び金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置 |
RU2600575C1 (ru) * | 2015-09-04 | 2016-10-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ раздвоения плазмон-поляритонного канала связи терагерцового диапазона |
RU2645008C1 (ru) * | 2016-12-12 | 2018-02-15 | 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 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3822098A (en) | Multispectral sensor means measuring depolarized radiation | |
US6977379B2 (en) | T-ray Microscope | |
EP2015054B1 (en) | Terahertz Time-Domain Spectroscopy in Attenuated-Total-Reflection | |
US8730468B2 (en) | Methods, devices and kits for peri-critical reflectance spectroscopy | |
RU2318192C1 (ru) | Плазмонный спектрометр терагерцового диапазона для исследования проводящей поверхности | |
KR20100063112A (ko) | 운동하는 표본물질을 측정하는 분광기와 방법 | |
CN110927121B (zh) | 一种基于白光干涉光谱的相位型spr检测装置及方法 | |
US20190219505A1 (en) | Device for analysing a specimen using the goos-hänchen surface plasmon resonance effect | |
CN107764776B (zh) | 多波长可调式表面等离子体共振成像装置及其应用 | |
CN109115690A (zh) | 实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪及光学常数测量方法 | |
CN110927122B (zh) | 一种基于干涉光谱的相位型spr检测装置及方法 | |
RU2645008C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
US7868295B2 (en) | Advanced calorimetric spectroscopy for commercial applications of chemical and biological sensors | |
JP2005172774A (ja) | 反射光学特性によって物性を測定する装置および測定方法 | |
RU2699304C1 (ru) | Устройство для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения | |
RU2380664C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения поверхностных электромагнитных волн инфракрасного диапазона | |
RU2512659C2 (ru) | Способ измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов по реальной поверхности | |
RU2573617C1 (ru) | Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр | |
CN208847653U (zh) | 一种实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪 | |
RU2173837C2 (ru) | Широкополосный спектрометр поверхностных электромагнитных волн | |
RU2681427C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
RU2703941C1 (ru) | Устройство для преобразования инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну на плоской грани проводящего тела | |
RU2400714C1 (ru) | Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения | |
RU2477841C2 (ru) | Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр | |
RU2380665C1 (ru) | Устройство для определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн инфракрасного диапазона |