ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН Российский патент 2001 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к исследованиям быстропротекающих процессов на поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно к мгновенному определению спектров поглощения тонких переходных слоев, свойства которых изменяются с течением времени, путем регистрации условий возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) оптического диапазона (называемых в видимом диапазоне поверхностными плазмонами или поверхностными плазмон-поляритонами) на поверхности образца с исследуемым слоем и может найти применение в спектрометрии окисных и адсорбционных слоев, например, для исследования хода каталитических реакций в устройствах, контролирующих внешние воздействия импульсного характера.

Спектрометрия - одна из основных областей применения ПЭВ [1 и 2]. В ПЭВ-спектрометрах ИК диапазона используют разнесенные вдоль трека ПЭВ элементы прямого и обратного преобразования объемной волны в поверхностную. С помощью таких устройств непосредственно измеряют длину распространения ПЭВ в определенном дискретном диапазоне длин волн перестраиваемого источника излучения [3 и 4] . Основной недостаток таких ПЭВ-спектрометров - продолжительное (несколько часов) время измерения спектров.

Время снятия спектров поглощения переходных слоев с использованием ПЭВ значительно сокращается в случае применения источника белого света и рефлектометрической регистрации возбуждения ПЭВ.

Известен ПЭВ-спектрометр, содержащий источник белого света, коллиматор, поляризатор, призму, выполненную в виде прозрачного сосуда, наполненного прозрачной жидкостью с показателем преломления n_пр, большим показателя преломления окружающей среды, причем дном сосуда служит съемная прозрачная жесткая пластинка с показателем преломления n_пл = n_пр, на внешнюю поверхность которой нанесена прозрачная металлическая пленка, а по ходу падающего на пленку и отраженного от нее луча в жидкости размещены два ломаных зеркала с одним и тем же числом одинаковых граней, диспергирующие элементы, поштучно размещенные на пути отраженных от граней второго зеркала пучков света и оптически сопряженные с отдельными фотоприемными устройствами, снабженными линейками фотоприемников [5]. Основным недостатком известного устройства является пространственная дискретность измеренных спектров поглощения переходного слоя, обусловленная конечностью числа анализируемых пучков белого света, направляемых на пленку под разными углами падения (число пучков равно числу граней каждого из зеркал).

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является широкополосный плазмон-поляритонный (так называют ПЭВ видимого диапазона) спектрометр, содержащий источник белого света, фокусирующий объектив, прозрачную для видимого света металлическую пленку, нанесенную на гипотенузную грань треугольной призмы, выполненной из прозрачного и оптически более плотного, чем окружающая среда, материала, собирающую линзу, главная оптическая ось которой ориентирована перпендикулярно другой боковой грани призмы, и спектрограф, входное отверстие которого расположено в задней фокальной плоскости линзы [6]. В этом устройстве широкополосное возбуждение ПЭВ происходит вследствие дифракции белого света на шероховатостях (неоднородностях) внешней поверхности пленки. Поле ПЭВ, возбуждаемых на данной длине волны λ , проникает в пленку и, если его глубина проникновения δ в материал пленки превышает ее толщину, трансформируется в поле плоской электромагнитной волны, излучаемой в призму под углом Φ, определяемым по формуле [1 и 2]:
Φ = arcsin[k′/(k_o•n_пр)] , (1)
где k_o = 2•π/λ - волновое число плоской волны в вакууме, k' - действительная часть волнового числа ПЭВ, n_пр - показатель преломления призмы, а отсчет угла Φ ведется от нормали к поверхности пленки. Такой спектрометр позволяет получать непрерывный частотно-угловой спектр излучения ПЭВ, причем угловая ширина ΔΦ сектора излучения на данной частоте ν пропорциональна поглощению энергии излучения в исследуемом переходном слое, формируемом на свободной поверхности пленки. Измеряя зависимость ΔΦ(ν), получают усиленный (вследствие резонансного увеличения напряженности поля волны на 2-3 порядка при возбуждении ПЭВ) спектр поглощения переходного слоя.

Поскольку величина δ зависит от λ, то излучения всего спектра ПЭВ в призму не происходит [7]. Так, например, для меди при λ = 623,8 нм величина δ составляет ~70 нм, а при λ = 5 мкм - δ ~15 нм [8]. Такое большое различие величин δ обусловливает невозможность одновременного наблюдения спектров излучения ПЭВ видимого и ИК диапазонов с помощью описанного в [6] спектрометра. Выбор же в известной конструкции ПЭВ-спектрометра такой толщины металлической пленки, которая была бы прозрачной для ИК излучения приводит к невозможности возбуждения нерадиационных ПЭВ видимого диапазона из-за явления отсечки [9]. Таким образом, ограниченность частотного диапазона функционирования - основной недостаток устройства-прототипа.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном широкополосном ПЭВ-спектрометре, содержащем источник белого света, фокусирующий объектив, прозрачную для видимого света металлическую пленку, нанесенную на гипотенузную грань треугольной призмы, используемой в качестве подложки и выполненной из прозрачного и оптически более плотного, чем окружающая среда, материала, собирающую линзу, главная оптическая ось которой ориентирована перпендикулярно другой боковой грани призмы, и спектрограф, входное отверстие которого расположено в задней фокальной плоскости линзы, дополнительно введены призма, выполненная из прозрачного для света видимого и ИК диапазонов спектра и оптически более плотного, чем окружающая среда, материала и размещенную на пути светового пучка между объективом и металлической пленкой так, что одна из ее боковых граней ориентирована параллельно внешней поверхности пленки, на шероховатостях которой свет возбуждает ПЭВ, и удалена от нее на расстояние, равное глубине проникновения поля ПЭВ ИК диапазона в окружающую среду, причем свет падает на эту грань под углом меньше критического, а также дополнительная собирающая линза, главная оптическая ось которой ориентирована перпендикулярно другой боковой грани дополнительной призмы, и спектрограф ИК диапазона, входное отверстие которого расположено в задней фокальной плоскости дополнительной линзы.

Расширение частотного диапазона функционирования спектрометра достигается за счет обеспечения возможности регистрации спектров излучения ПЭВ, возбуждаемых белым светом на шероховатостях пленки, как в видимом, так и в ИК диапазонах. С этой целью толщину пленки выбирают равной глубине проникновения поля ПЭВ видимого диапазона в материал пленки, а дополнительную призму располагают так, чтобы одна из ее боковых граней была ориентирована параллельно внешней поверхности пленки и удалена от нее на расстояние, равное глубине проникновения поля ПЭВ ИК диапазона в окружающую среду. Такой выбор обеспечивает, с одной стороны, излучение ПЭВ видимого диапазона в призму-подложку и невозможность излучения этих ПЭВ в сторону дополнительной призмы (так как глубина проникновения поля ПЭВ видимого диапазона в окружающую среду во много раз меньше глубины проникновения ПЭВ ИК диапазона в эту же среду), с другой стороны, излучение ПЭВ ИК диапазона в дополнительную призму и невозможность их излучения в призму-подложку. Таким образом, в заявляемом устройстве реализуется возможность одновременного наблюдения спектров излучения ПЭВ как видимого, так и ИК диапазонов.

На фиг. 1 приведена функциональная схема широкополосного рефлектометрического ПЭВ-спектрометра, предназначенного для исследования переходных слоев и быстропротекающих процессов на поверхности прозрачных для видимого света металлических пленок.

На пути белого света, содержащего видимое и ИК излучения, источника 1 последовательно размещены фокусирующий объектив 2, призма 3, выполненная из прозрачного для видимого и ИК излучений и оптически более плотного, чем окружающая среда, материала, волноведущая структура, состоящая из призмы 4, выполненной из прозрачного для видимого излучения и оптически более плотного, чем окружающая среда, материала и нанесенной на гипотенузную грань призмы 4, прозрачной для видимого излучения металлической пленки 5; грань призмы 3, из которой световой пучок выходит, является плоской, ориентированной параллельно свободной поверхности пленки 5 и удаленной от нее на расстояние, равное глубине проникновения ПЭВ ИК диапазона в окружающую среду; на пути излучения, выходящего из другой плоской грани призмы 4 под углом, соответствующим углу излучения ПЭВ видимого диапазона, размещена линза 6, ориентированная так, чтобы ее главная оптическая ось была перпендикулярна этой грани призмы 4, а в задней фокальной плоскости линзы 6 расположена щель спектрографа 7, подключенного к устройству обработки данных 8; на пути излучения, выходящего из призмы 3 под углом, соответствующим углу излучения ПЭВ ИК диапазона, размещена линза 9, ориентированная так, чтобы ее главная оптическая ось совпадала с направлением распространения ИК излучения, а в задней фокальной плоскости линзы 9 расположена щель спектрографа 10, подключенного к устройству обработки данных 11.

Спектрометр работает следующим образом. Сфокусированный белый свет источника 1 проходит через призму 3 и падает на шероховатую поверхность пленки 5. Вследствие дифракции света на шероховатостях происходит широкополосное возбуждение ПЭВ. Поля ПЭВ видимого диапазона проникают через пленку 5 и частично преобразуются в плоские электромагнитные волны, излучаемые в сторону призмы 4 под углами, определяемыми формулой (1). Излучение, выходящее из призмы 4, падает на линзу 6 и фокусируется на входную щель спектрографа 7, который определяет спектральный состав излучения и измеряет угловое распределение интенсивности его Фурье-компонент. Информация о частотно-угловом спектре излучения, выходящего из призмы 4, в виде электрических сигналов поступает в устройство обработки данных 8, которое строит зависимость ΔΦ(ν) для видимого излучения.

Поля ПЭВ ИК диапазона не проникают через пленку 5 и поэтому не излучаются в призму 4. Однако вследствие большой глубины проникновения полей ПЭВ ИК диапазона в окружающую среду они достигают призмы 3 и частично излучаются в нее под углами, определяемыми формулой (1). Излучение, выходящее из призмы 3, падает на линзу 9 и фокусируется на входную щель спектрографа 10, который анализирует это излучение подобно спектрографу 7. Используя информацию, поступающую в виде электрических сигналов с выхода спектрографа 10, устройство обработки данных 11 строит зависимость ΔΦ(ν) для ИК диапазона. Объединяя обе зависимости, получают широкополосный спектр излучения ПЭВ ΔΦ^°(ν), возбуждаемых светом на чистой (без переходного слоя) поверхности пленки 5.

Формирование переходного слоя на поверхности пленки 5 приводит к изменению частотно-углового спектра излучения ПЭВ, который в этом случае будет представлен устройствами обработки данных 8 и 11 в виде зависимости ΔΦ^*(ν). Различие спектров ΔΦ^°(ν) и ΔΦ^*(ν) обусловлено образованием переходного слоя, поэтому разностная кривая ΔΦ⁺(ν) = ΔΦ^*(ν)-ΔΦ^°(ν) и представляет собой спектр поглощения этого слоя.

Рассмотрим работу заявляемого ПЭВ-спектрометра. В качестве источника излучения 1 выберем лампу накаливания с непрерывным спектром излучения в диапазоне λ 0,5 - 10,0 мкм, соответствующем диапазону частот ν = 20000-1000 см^-1. Пусть материалом для призм 3, 4 и линз 2, 6 является NaCl, пленки 5 - напыленная медь, переходного слоя, формируемого на свободной поверхности пленки 5, - CaF₂, окружающая среда - воздух. Значения оптических постоянных всех названных материалов взяты из [10]. Толщину слоя CaF₂ выберем равной 10,0 нм, а толщину пленки 5 - равной 46,0 нм, что обеспечивает оптимальное излучение ПЭВ видимого диапазона в призму 4. Поскольку глубина проникновения поля ПЭВ в воздух для названной волноведущей структуры составляет: для видимого диапазона порядка λ , а для среднего ИК диапазона порядка 10 λ, то величину зазора, отделяющего основание призмы 3 от пленки 5, положим равной 50 мкм. Такой зазор обеспечивает излучение полей ПЭВ ИК диапазона в призму 3 и изоляцию этой призмы от полей ПЭВ видимого диапазона.

На фиг. 2 приведены расчетные зависимости ΔΦ(ν) для рассматриваемого примера в видимом диапазоне (фиг. 2а) и в ИК диапазоне (фиг. 2б): кривые 1 соответствуют зависимости ΔΦ^*(ν), кривые 2 - ΔΦ^°(ν), кривые 3 - ΔΦ⁺(ν). Ход кривых ΔΦ⁺(ν) свидетельствует об увеличении поглощения излучения слоем CaF₂ с ростом частоты ν .

Таким образом, предлагаемый спектрометр, по сравнению с прототипом, позволяет увеличить частотный диапазон функционирования, что расширяет его возможности и область применения.

Источники информации
1. Никитин А.К., Тищенко А.А. Поверхностные электромагнитные волны и их применения. //Зарубежная радиоэлектроника. 1983, N 3, с.38-56.

2. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред. Под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса //М.: Наука, 1985, 525 с.

3. Chabal Y.J. Surface infrared spectroscopy. //Surface Science Reports. 1988, v.8, p. 211-351.

4. Zhizhin G. N. , Yakovlev V. A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves. //Physics Reports. 1990, v. 194, N 5-6, p. 281-289.

5. Никитин А. К. Спектрометр поверхностных электромагнитных волн. //Патент РФ на изобретение N 2091733. Бюл. N 27 от 27.09.1997 г.

6. Орлов С.Н., Поливанов Ю.Н., Саяхов Р.Ш., Чуянов В.В. Широкополосная частотно-угловая регистрация спектров излучения поверхностных плазменных поляритонов. //Краткие сообщения по физике. 1990, N 6, с. 18-20 (Прототип).

7. Kitajima Н. , Hieda К., Suematsu Y. Optimum conditions in the attenuated total reflection technique. //Applied Optics, 1981, v.20, N 6, p. 1005-1010.

8. Тищенко А. А., Никитин А.К. ПЭВ в оптической микроскопии. //Вестник РУДН (сер. Физика), 1993, т. 1, N 1, с. 114-121.

9. Kuwamura Y. et al. Experimental observation of long-range surface plasmon-polaritons. //J. Phys. Soc. Japan, 1983, v.52. N 7, p. 2350-2355.

10. Золотарев В.М., Морозова В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. //Л.: Химия, 1984, 216 с.

Изобретение относится к исследованиям быстропротекающих процессов на поверхности металлов и полупроводников оптическими методами и может найти применение в спектрометрии окисных и адсорбционных слоев. В спектрометре, содержащем источник света, объектив, прозрачную металлическую пленку, нанесенную на гипотенузную грань треугольной призмы, используемой в качестве подложки, линзу, ось которой перпендикулярна другой боковой грани призмы, и спектрограф, дополнительно введены призма, выполненная из прозрачного для света видимого и ИК диапазонов спектра материала и размещенная на пути светового пучка между объективом и металлической пленкой так, что одна из ее боковых граней параллельна внешней поверхности пленки, на шероховатостях которой свет возбуждает ПЭВ, и удалена от нее на расстояние, равное глубине проникновения поля ПЭВ ИК диапазона в окружающую среду, причем свет падает на эту грань под углом меньше критического, а также дополнительная линза, оптическая ось которой перпендикулярна другой боковой грани дополнительной призмы, и спектрограф ИК диапазона, входное отверстие которого расположено в задней фокальной плоскости дополнительной линзы. Техническим результатом изобретения является увеличение частотного диапазона функционирования. 2 ил.

Широкополосный спектрометр плоских электромагнитных волн (ПЭВ), содержащий источник белого света, расположенные последовательно по ходу пучка лучей света фокусирующий объектив, прозрачную для видимого света металлическую пленку, нанесенную на гипотенузную грань треугольной призмы, выполненной из прозрачного и оптически более плотного, чем окружающая среда, материала, собирающую линзу, главная оптическая ось которой ориентирована перпендикулярно другой боковой грани призмы, и спектрограф, входное отверстие которого расположено в задней фокальной плоскости линзы, отличающийся тем, что спектрометр дополнительно содержит призму, выполненную из прозрачного для света видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов спектра и оптически более плотного, чем окружающая среда, материала и размещенную на пути светового пучка между объективом и металлической пленкой так, что одна из ее боковых граней ориентирована параллельно внешней поверхности пленки, на шероховатостях которой свет возбуждает поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), и удалена от нее на расстояние, равное глубине проникновения поля ПЭВ ИК диапазона в окружающую среду, причем свет падает на эту грань под углом меньше критического, а также дополнительную собирающую линзу, главная оптическая ось которой ориентирована перпендикулярно другой боковой грани дополнительной призмы, спектрограф ИК диапазона, входное отверстие которого расположено в задней фокальной плоскости дополнительной линзы, и два устройства обработки данных, раздельно подключенных к выходам обоих спектрографов.