УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК G01N21/43 

Изобретение относится к технике оптико-физических измерений, а именно к устройствам для определения измерений показателя преломления окружающей среды по изменению характеристик поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), распространяющихся в волноведущей структуре, включающей в себя окружающую среду, и может быть использовано в различных областях науки и техники, в частности в экологии и метеорологии, для измерения изменений показателя преломления газа, а также для измерения изменений давления, температуры, влажности и других физических характеристик газа, от которых зависит его показатель преломления.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для определения показателя преломления жидкости, содержащее источник p-поляризованного монохроматического излучения, металлическую пленку, толщиной больше глубины проникновения в материал пленки поля плоской электромагнитной волны, возбуждающей ПЭВ, нанесенную на планарную оптическую подложку, сформированный на внешней поверхности пленки дифракционной элемент преобразования плоской электромагнитной волны в поверхностную и обратно, фотоприемник и измерительный прибор [1] Основным недостатком известного устройства является сравнительно низкая точность определения показателя преломления окружающей среды, находящейся в любой фазе, не превышающая 10^-5.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения изменений показателя преломления газа, содержащем источник p-поляризованного монохроматического излучения, металлическую пленку, нанесенную на планарную оптическую подложку, элемент преобразования плоской электрической волны в поверхностную, фотоприемник и измерительный прибор, дополнительно введен элемент преобразования поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) в плоскую, размещенный по треку ПЭВ, металлическая пленка выполнена полупрозрачной, подложка из полупроводника с показателем преломления меньше показателя преломления газа, при этом толщину металлической пленки d определяют путем решения трансцендентного уравнения

λ_o длина волны монохроматического излучения в вакууме;
ε₃ диэлектрическая проницаемость газа, связанная с показателем преломления газа n₃ соотношением
комплексные диэлектрические проницаемости полупроводника и металла, соответственно (j- мнимая единица); причем где n₁ и k₁ показатель преломления и показатель поглощения полупроводника.

Заявляемое устройство позволяет существенно повысить чувствительность к изменениям показателя преломления окружающей среды(газа) по сравнению с другими известными устройствами, основанными на зависимости характеристик ПЭВ от величины показателя преломления окружающей среды.

В последние годы была разработана теория распространения ПЭВ в симметричных и квазисимметричных Д-М-Д структурах [2, 3] При этом было установлено, что в таких структурах могут существовать две неизлучающие моды: короткопробежная (КПЭВ) и длиннопробежная (ДПЭВ). Причем для ДПЭВ, при данной толщине металлической пленки, по достижении определенной степени асимметрии структуры (с точки зрения различия показателей преломления, ограничивающих пленку диэлектриков) имеет место явление отсечки, которому предшествует увеличение длины распространения ДПЭВ L_ДПЭВ. Именно эту зависимость L_ДПЭВ от показателя преломления одной из ограничивающих металлическую пленку сред волноведущей структуры и предлагается использовать в заявляемом устройстве. Кроме того, так как показатель преломления подожки в реальной волноведущей структуре должен быть приближенно равен показателю преломления среды, граничащей с пленкой с внешней стороны (окружающей среды, в частности - газа), то в качестве подложки предлагается выбирать полупроводник с показателем преломления меньше показателя преломления газа для используемого излучения. Использование в волноведущей структуре вместо диэлектрической подложки полупроводниковой не исключает явления отсечки ДПЭВ, но приводит к изменению толщины металлической пленки, при которой оно имеет место. Поэтому в формулу изобретения включено трансцендентное уравнение, позволяющее определять толщину металлической пленки, при которой происходит отсечка ДПЭВ в волноведущей структуре, содержащей полупроводниковую подложку, прозрачную металлическую пленку и газовую окружающую среду.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемого устройства для измерения изменений показателя преломления газа (окружающей среды). Монохроматическое излучение источника 1 падает на элемент преобразования плоской электромагнитной волны в поверхностную 2, преобразуется в ДПЭВ, направляемую волноведущей структурой, состоящей из планарной полупроводниковой подложки 3, нанесенной на поверхность подложки полупрозрачной металлической пленки 4 и окружающей среды (газа) 5. По треку ДПЭВ размещен элемент преобразования поверхностной волны в плоскую 6, а на пути плоской волны размещен фотодетектор 7, подключенный к измерительному прибору 8.

Устройство работает следующим образом. Монохроматическое излучение, имеющее отличную от нуля нормальную составляющую электрического поля, из источника 1 падает на элемент преобразования излучения 2 и с определенной эффективностью преобразуется в ДПЭВ, распространяющиеся вдоль металлической пленки 4 и поле которых не только пронизывает пленку 4, но и проникает в подложку 3 и в окружающую среду 5, затухая в них по различным экспонентам. По мере распространения ДПЭВ в волноведущей структуре интенсивность поля ДПЭВ 1, вследствие джоулевых потерь, затухает по экспоненциальному закону.

I = I_o•exp(-α•x), (2)
где I_o энергия (интенсивность) поля ДПЭВ при x=0, т.е. в точке обрыва связи между ДПЭВ и объемной волной на краю элемента преобразования 2;
α коэффициент затухания ДПЭВ, связанный с длиной распространения L_ДПЭВ соотношением α = L-1ДПЭВ

Дойдя до элемента 6, преобразующего поверхностную волну в объемную, ДПЭВ преобразуются с определенной эффективностью в объемную электромагнитную волну, которая поступает на вход фотоприемника 7 и порождает электрический сигнал, измеряемый прибором 8. Величина электрического сигнала пропорциональна энергии поля ДПЭВ, достигших элемента 6. Изменение показателя преломления окружающей среды 5 n₃ приводит к изменению коэффициента поглощения α_ДПЭВ что, в соответствии с формулой (2), приводит к изменению интенсивности поля ДПЭВ на входе элемента преобразования 6 и соответствующему изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника 7.

Зависимость α_ДПЭВ от n₃ для конкретной волноведущей трехслойной структуры с металлической пленкой толщиной d, определенной из уравнения (1), устанавливают путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ [3] Наличие предварительно рассчитанной зависимости α(n₃) позволяет однозначно определять величину изменения n₃ по величине изменения сигнала, вырабатываемого фотоприемником 7.

Рассмотрим работу заявляемого устройства на примере волноведущей структуры "воздух (n₃=1,0000) медная пленка толщиной d стекло Na₂O(20%)+ SiO₂(80% ) (n₁=0,9980, k₁≈0,01) при λ_o7,825 мкм. Оптические постоянные меди и стекла взяты из [4] Из уравнения (1) следует, что в такой структуре толщина медной пленки, при которой имеет место явление отсечки ДПЭВ, равна 26,0 нм. Выберем толщину пленки равную 26,5 нм. В такой структуре длина распространения ДПЭВ составляет 50,0 см, что соответствует величине коэффициента затухания α_ДПЭВ 0,02 см^-1. Тогда при расстоянии между элементами преобразования волн 2 и 6 равном 10 см интенсивность ДПЭВ 1 на входе элемента 6 составит 82% от интенсивности I₀. Изменение показателя преломления воздуха на 10^-6 приведет к уменьшению длины распространения ДПЭВ до 20 см, что соответствует α_ДПЭВ0,05 см^-1, а интенсивность ДПЭВ I на входе элемента 6 составит только 60% от величины I₀. Таким образом, вариация показателя преломления воздуха на величину 10^-6 вызовет изменение электрического сигнала на выходе фотоприемника 7 на 22% Такое же изменение показателя преломления воздуха вызывает изменение электрического сигнала в устройстве, взятом в качестве прототипа, на 1% То есть можно утверждать, что чувствительность заявляемого устройства более чем на порядок превосходит чувствительность устройства-прототипа.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет существенно повысить чувствительность к изменениям показателя преломления окружающей среды (газа) по сравнению с другими известными устройствами (взятыми как в качестве аналога, так и в качестве прототипа), основанными на зависимости характеристик ПЭВ от величины показателя преломления окружающей среды.

Источники информации
1. Kano H. Kawata S. Grating-Coupled Surface-Plasmon for Measuring the Refractive Index of a Liquid Sample// Japanese Journal of Applied Phisics( Part 1), 1995, v.34, N0.1, p.33-335. (Прототип)
Burke J.J. Stegeman G.I. Tamir T. Surface-polariton-like waves guided by thin, lossy metal films// Phys.Rev.(B), 1986, v.33,N0.8, p.5186-5201.

3. Кассандров В.В. Никитин А.К. Сумита Б. Тищенко А.А. Анализ и приближенные решения дисперсионного уравнения ПЭВ в Д-М-Д структурах// Поверхность (физ.хим.мех.), 1992, N5, с.90-97.

4. Золотарев В.М. Морозов В.Н. Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред// Л. Химия.1984.215 с.

Использование: изобретение относится к технике оптико-физических измерений, а именно к устройствам для определения изменений показателя преломления окружающей среды по изменению характеристик поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), распространяющихся в волноведущей структуре, включающей в себя окружающую среду (газ). Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения изменений показателя преломления газа, содержащем источник p-поляризованного монохроматического излучения, металлическую пленку, нанесенную на планарную оптическую подложку, элемент преобразования плоской электромагнитной волны в поверхностную, фотоприемник и измерительный прибор, дополнительно введен элемент преобразования поверхностной электромагнитной волны в плоскую, размещенный по треку ПЭВ, металлическая пленка выполнена полупрозрачной, подложка - из полупроводника с показателем преломления меньше показателя преломления газа, при этом толщину металлической пленки определяют путем решения трансцендентного уравнения, приведенного в описании. 1 ил.

Устройство для измерения изменений показателя преломления газа, содержащее источник р-поляризованного монохроматического излучения, металлическую пленку, нанесенную на планарную оптическую подложку, элемент преобразования плоской электромагнитной волны в поверхностную, фотоприемник и измерительный прибор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит элемент преобразования поверхностей электромагнитной волны (ПЭВ) в плоскую, размещенный по треку ПЭВ, металлическая пленка выполнена полупрозрачной, подложка из полупроводника с показателем преломления меньше показателя преломления газа, при этом толщину металлической пленки d определяют путем решения трансцендентного уравнения

где



λ_o - длина волны монохроматического излучения в вакууме;
ε₃ - диэлектрическая проницаемость газа, связанная с показателем преломления газа n₃ соотношением
комплексные диэлектрические проницаемости полупроводника и металла, соответственно (j мнимая единица).