ИНФРАКРАСНЫЙ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ ПЛАЗМОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2016 года по МПК G01N21/55 G01N21/35 G01J3/42 

Изобретение относится к инфракрасной (ИК) спектроскопии поверхности металлов и полупроводников, а именно - к определению амплитудно-фазовых спектров, как самой поверхности, так и ее переходного слоя, путем измерения характеристик направляемых этой поверхностью поверхностных плазмонов (ПП), разновидности поверхностных электромагнитных волн, и может найти применение в физико-химических исследованиях процессов на поверхности твердого тела, в ИК-спектроскопии окисных и адсорбированных слоев в оптических контрольно-измерительных и сенсорных устройствах.

Оптическая спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПП (Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals & Applications // Springer, 2007. - 223 p.), (Князев Б.А., Кузьмин А.В. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн // Вестник НГУ (Физика), 2007, т.2, Вып.1, с. 108-122) [1, 2]. В первых ПП-спектрометрах ИК-диапазона использовали два разнесенных вдоль трека ПП элемента преобразования объемной волны в поверхностную и обратно (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]. С помощью таких устройств непосредственно измеряли длину распространения ПП L в определенном диапазоне длин волн λ дискретно перестраиваемого лазерного источника излучения. Основной недостаток таких ПП-спектрометров - дискретность рабочих частот и недостаточность объема информации, получаемого в результате измерений только длины распространения ПП.

Использование в ПП-спектроскопии плавно перестраиваемых по частоте лазеров на свободных электронах позволило преодолеть первый из перечисленных выше недостатков (Zhizhin G.N., Alieva E.V., Kuzik L.A., Yakovlev V.A., Shkrabo D.M., Van der Meer A.F.G., Van der Wiel M.J. Free-electron laser for infrared SEW characterization surfaces of conducting and dielectric solids and nm films on them // Applied Physics (A), 1998, v. 67, p. 667-673), (Bogomolov G.D., Jeong U.Y., Zhizhin G.N., Nikitin A.K., et al. First experiments on application of free-electron laser terahertz radiation for optical control of metal surfaces // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2005, №5, с. 57-63) [4, 5]. А применение интерференционной методики определения фазовой скорости ПП (точнее, действительной части κ′ комплексного показателя преломления ПП κ=κ′+i′·κ″, где i - мнимая единица) повысило информативность метода ПП-спектроскопии, поскольку появилась возможность по значениям L и κ′ рассчитать, путем решения дисперсионного уравнения ПП для трехслойной структуры, два параметра переходного слоя, например его толщину и показатель преломления или комплексную диэлектрическую проницаемость материала образца ε=ε′+j·ε″.

ПП-спектрометр, описанный в [4], содержит перестраиваемый по частоте источник р-поляризованного монохроматического излучения, фокусирующий объектив, дифракционный элемент (край экрана) для преобразования излучения источника в ПП, твердотельный образец, имеющий плоскую поверхность, на краю которой ПП преобразуются в объемное излучение, и фотоприемник, перемещаемый перпендикулярно поверхности образца в плоскости, содержащей трек ПП. Основным недостатком такого спектрометра является низкая точность определения κ′ по координатам экстремумов интерферограммы, регистрируемой фотоприемником при фиксированном относительно образца положении экрана. Этот недостаток объясняется тем, что: 1) в результате дифракции падающего излучения на крае экрана, кроме ПП, порождается набор объемных волн, диаграмма направленности которых носит в значительной степени случайный характер. Это приводит к непредсказуемому искажению интерферограммы и не позволяет определять координаты экстремумов с достаточной точностью; 2) скачок фазы, возникающий при срыве ПП с края образца, зависит от расстояния, пройденного ПП. Поэтому, для определения κ′ необходимо зарегистрировать не менее двух интерферограмм при различных длинах пробега ПП, что приводит к накоплению погрешности измерений. В результате, точность определения κ′ не превышает 10^-3, что сравнимо с изменением κ′, обусловленным формированием переходного слоя.

Известен плазмонный спектрометр ИК-диапазона для определения диэлектрической проницаемости проводящих материалов, содержащий перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, лучеразделитель, расщепляющий падающее излучение на измерительный и опорный пучки, два плоских зеркала, призменный элемент преобразования излучения измерительного пучка в ПП, твердотельный образец с плоской поверхностью, призменный элемент преобразования ПП в объемное излучение, непрозрачную заслонку, перекрывающую опорный пучок при регистрации интенсивности измерительного пучка, лучеразделитель, совмещающий измерительный и опорный пучки, регулируемый компенсатор, фокусирующий объектив и фотоприемное устройство (Жижин Г.Н., Никитин А.К., Рыжова Т.Н. Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в инфракрасном диапазоне спектра // Патент РФ на изобретение №2263923. Бюл. №31 от 10.11.2005 г.) [6]. Основными недостатками известного устройства являются большая продолжительность измерений, обусловленная раздельностью процедур амплитудных и фазовых измерений, и низкая точность определения комплексного показателя преломления ПП, в связи с неоднозначностью фазы волны, излучаемой с различных участков элемента преобразования ПП в объемное излучение.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр, содержащий перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, твердотельный проводящий образец с плоскогранной поверхностью, элемент преобразования излучения источника в поверхностные плазмоны (ПП), представляющий собой непрозрачный экран, установленный перпендикулярно треку ПП таким образом, что край экрана, обращенный к направляющей поверхности образца, находится на расстоянии от 5λ до 20λ от нее, фотодетектор, размещенный в поле ПП на перемещаемой параллельно поверхности вдоль трека подвижной платформе и подключенный к устройству обработки информации (Никитин А.К., Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Князев Б.А., Хитров О.В. Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр // Патент РФ на изобретение №2477841. Бюл. №8 от 20.03.2013 г. (Прототип)) [7]. Основным недостатком известного устройства является низкая точность измерений, что обусловлено засветкой фотодетектора паразитным объемным излучением, порождаемым при дифракции излучения источника на крае экрана и при дифракции ПП на неоднородностях поверхности реального образца (Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Способ индикации дифракционных спутников поверхностных плазмонов терагерцового диапазона // Письма в ЖТФ, 2010, т.36, вып.21, с. 93-101) [8].

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности измерений путем повышения соотношения сигнал / шум.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном инфракрасном амплитудно-фазовом плазмоном спектрометре, содержащем перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, плоское и цилиндрическое фокусирующее зеркала, твердотельный плоскогранный проводящий образец, элемент преобразования излучения источника в поверхностные плазмоны (ПП), размещенный в непоглощающей окружающей среде непрозрачный экран, ориентированный перпендикулярно треку ПП, и фотодетектор, сопряженный с устройством обработки информации и установленный на перемещаемой вдоль трека платформе, обращенный к направляющей ПП грани край экрана удален от нее на расстояние не меньше глубины проникновения поля ПП в окружающую среду; кроме того, спектрометр дополнительно содержит регулируемую линию задержки, поворачиваемый поляризатор, укрепленное на платформе плоское зеркало, отражающая грань которого примыкает к направляющей грани, наклонена к ней под углом 45° и ориентирована перпендикулярно к треку, фокусирующий объектив и установленную перед входным отверстием фотодетектора регулируемую диафрагму, а также лучеразделитель объемного излучения, расположенный на пути падающего на образец излучения на уровне наклонного зеркала; помимо этого, торцовая грань образца, перпендикулярная плоскости падения излучения и смежная с направляющей гранью, имеет цилиндрическую форму поверхности, ось которой параллельна направляющей грани и лежит в плоскости, содержащей линию сопряжения цилиндрической и плоской граней, причем расстояние от этой линии до оси равно радиусу кривизны цилиндрической поверхности, а длина дуги, содержащей трек ПП на этой поверхности, меньше десяти длин распространения ПП.

Повышение точности измерений путем подавления паразитных засветок фотодетектора дифрагировавшим и переотраженным объемным излучением достигается в результате: 1) придания торцовой грани образца, перпендикулярной плоскости падения излучения и смежной с направляющей гранью, цилиндрической формы, что позволяет экранировать детектор от объемных волн, возникающих на элементе преобразования излучения источника в ПП; 2) использования в качестве элемента преобразования ребра образца, образованного цилиндрической торцовой гранью и плоской гранью, параллельной направляющей, что обеспечивает высокую эффективность преобразования излучения источника в ПП (до 90%); 3) использования непрозрачного экрана для поглощения паразитных объемных волн; 4) применения фокусирующего объектива, снабженного регулируемой диафрагмой, что делает возможным избежать засветки детектора объемными волнами, порожденными ПП на неоднородностях поверхности.

На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - перестраиваемый источник p-поляризованного монохроматического излучения; 2 - плоское поворотное зеркало; 3 - лучеразделитель объемного излучения; 4 - цилиндрическое фокусирующее зеркало; 5 - твердотельный проводящий образец с плоской направляющей ПП поверхностью; 6 - торцовая грань образца 5, имеющая цилиндрическую форму поверхности, ось которой параллельна направляющей грани и лежит в плоскости, содержащей линию сопряжения цилиндрической и плоской направляющей граней; 7 - непоглощающая окружающая среда; 8 - непрозрачный экран, край которого, обращенный к направляющей поверхности, удален от нее на расстояние не меньше глубины проникновения поля ПП в окружающую среду; 9 - наклонное зеркало, отражающая грань которого примыкает к направляющей грани, наклонена к ней под углом 45° и ориентирована перпендикулярно к треку ПП; 10 - регулируемая линия задержки, состоящая из двух уголковых зеркал: неподвижного 11 и подвижного 12, плавно смещаемого, при необходимости, относительно зеркала 11; 13 - поляризатор, плавно поворачиваемый вокруг оси, лежащей в плоскости падения; 14 - фокусирующий объектив; 15 - фотодетектор; 16 - регулируемая диафрагма; 17 - устройство накопления и обработки информации, подключенное к детектору 15; 18 - подвижная платформа, способная перемещаться вдоль трека ПП параллельно направляющей поверхности и на которой размещены: зеркало 9, объектив 14, детектор 15 и диафрагма 16.

На Фиг. 2 приведена расчетная интерферограмма, иллюстрирующая работу устройства при генерации ПП излучением с λ=100 мкм на поверхности алюминия, содержащей однородный слой германия толщиной 0,7 мкм.

Спектрометр работает следующим образом. Пучок излучения источника 1 зеркалом 2 направляется на лучеразделитель 3, расщепляющий исходный пучок на измерительный и опорный. Измерительный пучок падает на зеркало 4, фокусирующее излучение в линию, совпадающую с ребром образца 5, образованным гранью 6 и секущей ее смежной плоской гранью. Вследствие дифракции на ребре излучение измерительного пучка с эффективностью до 90% преобразуется в ПП (Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin А.А. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8(7), p. 386-388) [9] и порождает веер паразитных объемных волн (ОВ). Эти ОВ лежат в плоскости падения излучения, направлены от грани 6 и, распространяясь в окружающей среде 7, блокируются экраном 8. Направляемые цилиндрической поверхностью грани 6, ПП, вследствие радиационных и джоулевых потерь, затухают по экспоненциальному закону. Ввиду того, что радиус кривизны R грани 6 выбирают превышающим 10·λ, радиационные потери ИК ПП пренебрежимо малы по сравнению с тепловыми (Hasegawa К., Nockel J.U., Deutsch М. Surface plasmon-polariton propagation around bends at a metal-dielectric interface // Applied Physics Letters, 2004, v. 84(11), p. 1835-1837) [10]. Достигнув линии сопряжения грани 6 и направляющей грани образца 5, ПП переходят на последнюю из этих граней, проходят под экраном 8 и падают на отражающую грань зеркала 9. На эту же грань зеркала 9 падает прошедший через линию задержки 10, состоящую из зеркал 11 и 12, опорный пучок, распространяющийся параллельно треку ПП в пределах глубины проникновения поля плазмонов в среду 7 и интенсивность которого можно плавно регулировать поляризатором 13. В результате взаимодействия с зеркалом 9 ПП получают отрицательный импульс, достаточный для преобразования ПП в пучок ОВ (Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Kotelnikov I.A., Kulipanov G.N., Nikitin A.K., et al. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser // J. of the Optical Soc. of America (B), 2013, v. 30, No. 8, p. 2182-2190) [11], распространяющийся вдоль нормали к направляющей поверхности. В этом же направлении зеркалом 9 отражается и опорный пучок. Оба пучка ОВ фокусируются объективом 14 на входную апертуру детектора 15, ограниченную диафрагмой 16. Будучи когерентными, пучки интерферируют и порождают в детекторе 15 ток, пропорциональный результирующей интенсивности:

где х - расстояние, пройденное ПП по плоской (направляющей) грани образца 5; I₁ - интенсивность опорного пучка, не зависящая от координаты х; I_o - интенсивность поля ПП на линии сопряжения цилиндрической грани и направляющей грани образца 5; α=κ_o·κ″ - коэффициент затухания ПП; k_о=2π/λ; Δφ=k_о·x·(κ′-n) - разность фаз между ОВ опорного пучка и ОВ, порожденных ПП. С детектора 15 электрический сигнал поступает в устройство накопления и обработки информации 17. По мере перемещения платформы 18 вдоль трека ПП, величина фазового сдвига Δφ изменяется, ввиду различия показателей преломления ПП и ОВ опорного пучка, равных κ′ и n, соответственно. Период Λ интерферограммы, регистрируемой при перемещении платформы 18, неизменен, а его значение позволяет устройству 17 рассчитать показатель преломления ПП по формуле:

Показатель же поглощения ПП κ″ устройство 17 рассчитывает по значениям интенсивности I_m1 и I_m2 в двух различных максимумах интерферограммы по следующей формуле:

где x₁ и x₂ - координаты соответствующих максимумов, причем х₂>х₁.

Подставляя найденные значения κ′ и κ″ в дисперсионное уравнение ПП для трехслойной структуры [1, 2], устройство 17 рассчитывает два ее параметра, например толщину и показатель преломления переходного слоя, или комплексную диэлектрическую проницаемость материала образца 5.

Отметим, что поворотный поляризатор 13 введен в схему прибора для регулирования контраста интерферограммы, а линия задержки 10 - для оперативного регулирования разности хода оптических путей пучков.

В качестве примера применения заявляемого устройства, как и в прототипе, рассмотрим возможность определения с его помощью диэлектрической проницаемости алюминия (Al) в диапазоне λ, от 30 до 100 мкм. Для этого воспользуемся известной методикой определения оптических постоянных металлов в ИК-области спектра по характеристикам ПП (Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Оптические постоянные меди, полученные по распространению поверхностных электромагнитных волн // ФТТ, 1979, т. 21(9), с. 2828-2831) [12]. Основная идея методики состоит в нанесении на поверхность образца тонкого диэлектрического покрытия, что обуславливает увеличение обеих частей комплексного показателя преломления ПП и позволяет определить их значения, выполняя измерения на образцах приемлемых (для лабораторных условий) размеров.

Пусть Al образец с плоской поверхностью длиной 30 см имеет толщину 8,8 мм, что позволяет закруглить его торцовую грань цилиндрической поверхностью радиусом 30 мм, имеющей длину 45° дуги в плоскости падения излучения, равную 23,5 мм. В качестве диэлектрического покрытия выберем слой германия (Ge) толщиной 0,7 мкм, поскольку в дальнем ИК-диапазоне этот материал обладает слабой дисперсией и пренебрежимо малыми потерями: при изменении λ от 100 мкм до 30 мкм показатель преломления Ge варьируется лишь в третьем знаке после запятой: от 4,004 до 4,005; а его показатель поглощения равен 1·10^-4 при λ=30 мкм и 1·10^-3 при λ=100 мкм (Handbook of optical constants of solids. Ed. by E.D. Palik // Academic Press, San Diego, USA, 1998. - 804 p.) [13]. Окружающая среда - воздух (с n=1,0002726) (Справочник "Физические величины" // М.: Энергоатомиздат, 1991. - 575 с.) [14]. Диэлектрическую проницаемость Аl будем рассчитывать по модели Друде, хорошо «работающей» в ИК-диапазоне, полагая плазменную частоту Al ν_p=660 см^-1 и столкновительную частоту свободных электронов ν_τ=119000 см^-1 (Ordal М.А., Long L.L., Bell R.J. et al. Optical properties of the 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. 1099-1119) [15]. Используя дисперсионное уравнение ПП для трехслойной структуры по ее вышеуказанным параметрам, рассчитаем зависимости κ′(λ) и κ″(λ) в выбранном диапазоне λ.

На Фиг. 2 приведена зависимость I(х), рассчитанная по формуле (1) для структуры «Аl - слой Ge толщиной 0,7 мкм - воздух» при λ=100 мкм. Располагая таким графиком, представляющим собой интерферограмму, полученную при перемещении платформы 10 вдоль поверхности образца 5, можно определить как κ′, так и κ″. Так, например, из графика на фиг. 2 следует, что период интерферограммы Λ=10,675 см, что соответствует, согласно (2), κ′=1,00121. Интенсивности же в первом I_m1 и, например, в пятом I_m5 максимумах равны 3,275 при x₁=10,565 см и 2,739 при х₂=21,240 см, соответственно. Подставив значения I_m1, I_m5, x₁ и x₂ в формулу (3), получим, что κ″=6,3·10^-5. Располагая найденными значениями κ′ и κ″, решают дисперсионное уравнение ПП относительно диэлектрической проницаемости материала образца. Так, в рассматриваемом примере получим значение диэлектрической проницаемости алюминия при λ=100 мкм равное ε_Al=ε′+j·ε″=-31780+i·209745.

С уменьшением λ-излучения источника, в качестве которого может быть использован, например, перестраиваемый по частоте излучения лазер на свободных электронах (Knyazev В.А., Kulipanov G.N., Vinokurov N.A. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. Technol., 2010, v. 21, 054017) [16] или квантово-каскадный лазер (Rostami A., Rasooli H., Baghban H. Terahertz and Infrared Quantum Cascade Lasers // In "Terahertz Technology: Fundamentals and Applications", Lecture Notes in Electrical Engineering, v. 77, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011. - p. 191-238) [17], период интерферограммы уменьшается, а затухание ПП - увеличивается. Так, при λ=30 мкм имеем Λ=0,238 см (что соответствует κ′=1,01286) и α=0,96 см^-1 (что соответствует κ″=4,6·10^-4). Выполнив для всего рабочего диапазона частот измерения I(х) и расчеты, аналогичные вышеописанным, получают искомые спектры ε′ и ε″, приведенные на фиг. 2 описания патента (Жижин Г.Н., Никитин А.К., Балашов А.А., Рыжова Т.А. Плазмонный спектрометр терагерцового диапазона для исследования проводящей поверхности // Патент РФ на изобретение №2318192. Бюл. №6 от 27.02.2008 г.) [18].

Повышение точности измерений спектрометром достигается в результате устранения засветок фотодетектора паразитным объемным излучением, порождаемым как в процессе преобразования ОВ→ПП, так и при дифракции ПП на неоднородностях поверхности реального образца. Первая разновидность паразитных засветок устраняется путем придания торцовой грани образца цилиндрической формы, что позволяет не только экранировать детектор от объемных волн, возникающих при дифракции излучения источника на ребре этой грани, но и - минимизировать излучательные потери ПП на искривленном участке поверхности образца (за счет увеличения радиуса кривизны) по сравнению с методом преобразования ОВ→ПП, предполагающим использование образца с сопряженными скругленным ребром плоскими гранями, одна из которых содержит волноводный элемент согласования [11]. Кроме того, использование в качестве элемента преобразования ребра образца позволяет значительно повысить (до 90%) эффективность генерации ПП излучением внешнего (относительно образца) источника по сравнению с примененным в прототипе апертурным методом преобразования ОВ→ПП. Использование поглощающего экрана 8 позволяет избавиться от паразитных засветок детектора 15, обусловленных переотражением дифрагировавшего излучения источника 1 от окружающих предметов. Вторая разновидность паразитных засветок (ОВ, порождаемые самими ПП при дифракции на неоднородностях поверхности образца) устраняется путем применения фокусирующего объектива 14 в комплексе с регулируемой диафрагмой 16 при условии размещения детектора 15 в фокусе объектива. Такие паразитные ОВ распространяются под углом к направляющей грани и поэтому падают на объектив 14 отклоненными от его главной оптической оси. В результате паразитные ОВ второго вида блокируются диафрагмой 16 или, при малом отклонении таких ОВ от оси объектива, не попадают во входное отверстие детектора 15. Как показал эксперимент, выполнение измерений без применения предлагаемых в настоящем изобретении мер по защите фотодетектора от паразитных засветок приводит к шумам на зависимости I(х), достигающим десятков процентов от уровня сигнала, регистрируемого при перекрытии опорного пучка (Zhizhin G.N., Nikitin А.К., Bogomolov G.D., et al. Absorption of surface plasmons in "metal-cladding layer-air" structure at terahertz frequencies // Infrared Physics & Technologies, 2006, v. 49, No. 1-2, p. 108-112) [19].

Таким образом, использование в заявляемом устройстве ребра образца в качестве элемента преобразования излучения источника в ПП, образованного его цилиндрической торцовой гранью и плоской гранью, параллельной направляющей ПП грани, а также - поглощающего экрана, край которого, обращенный к направляющей грани, удален от нее на расстояние не меньше глубины проникновения поля ПП в окружающую среду, и фокусирующего объектива, снабженного регулируемой диафрагмой, позволяет повысить точность измерений путем повышения соотношения сигнал/шум в результате уменьшения знаменателя этого соотношения.

Источники информации

1. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals & Applications // Springer, 2007. - 223 p.

2. Князев Б.А., Кузьмин A.B. Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн // Вестник НГУ(Физика), 2007, т. 2, Вып. 1, с. 108-122.

3. Zhizhin G.N., Yakovlev V.A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves // Physics Reports, 1990, v. 194, No. 5/6, p. 281-289.

4. Zhizhin G.N., Alieva E.V., Kuzik L.A., Yakovlev V.A., Shkrabo D.M., Van der Meer A.F.G., Van der Wiel M.J. Free-electron laser for infrared SEW characterization surfaces of conducting and dielectric solids and nm films on them // Applied Physics (A), 1998, v. 67, p. 667-673.

5. Bogomolov G.D., Jeong U.Y., Zhizhin G.N., Nikitin A.K., et al. First experiments on application of free-electron laser terahertz radiation for optical control of metal surfaces // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2005, №5, с. 57-63.

6. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Рыжова Т.Н. Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в инфракрасном диапазоне спектра // Патент РФ на изобретение №2263923. Бюл. №31 от 10.11.2005 г.

7. Никитин А.К., Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Князев Б.А., Хитров О.В. Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр // Патент РФ на изобретение №2477841. Бюл. №8 от 20.03.2013 г. (Прототип).

8. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Способ индикации дифракционных спутников поверхностных плазмонов терагерцового диапазона // Письма в ЖТФ, 2010, т. 36, вып. 21, с. 93-101.

9. Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin А.А. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8(7), p. 386-388.

10. Hasegawa K., Nockel J.U., Deutsch M. Surface plasmon-polariton propagation around bends at a metal-dielectric interface // Applied Physics Letters, 2004, v. 84(11), p. 1835-1837.

11. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Kotelnikov I.A., Kulipanov G.N., Nikitin A.K., et al. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser // J. of the Optical Soc. of America (B), 2013, v. 30, No. 8, p. 2182-2190.

12. Жижин Г.Н., Москалева M.A., Шомина E.В., Яковлев В.А. Оптические постоянные меди, полученные по распространению поверхностных электромагнитных волн // ФТТ, 1979, т. 21(9), с. 2828-2831.

13. Handbook of optical constants of solids. Ed. by E.D. Palik // Academic Press, San Diego, USA, 1998. - 804 p.

14. Справочник "Физические величины" // M.: Энергоатомиздат, 1991. - 575 с.

15. Ordal М.А., Long L.L., Bell R.J. et al. Optical properties of the 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. l099-1119.

16. Knyazev B.A., Kulipanov G.N., Vinokurov N.A. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. Technol., 2010, v. 21, 054017.

17. Rostami A., Rasooli H., Baghban H. Terahertz and Infrared Quantum Cascade Lasers // In "Terahertz Technology: Fundamentals and Applications", Lecture Notes in Electrical Engineering, v. 77, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011. - p. 191-238.

18. Жижин Г.Н., Никитин A.K., Балашов А.А., Рыжова Т.А. Плазмонный спектрометр терагерцового диапазона для исследования проводящей поверхности // Патент РФ на изобретение №2318192. Бюл. №6 от 27.02.2008 г.

19. Zhizhin G.N., Nikitin А.К., Bogomolov G.D., et al. Absorption of surface plasmons in "metal-cladding layer-air" structure at terahertz frequencies // Infrared Physics & Technologies, 2006, v. 49, No. 1-2, p. 108-112.

Изобретение относится к инфракрасной (ИК) спектроскопии поверхности металлов и полупроводников, а именно к определению амплитудно-фазовых спектров как самой поверхности, так и ее переходного слоя, путем измерения характеристик направляемых этой поверхностью поверхностных плазмонов (ПП). Спектрометр содержит перестраиваемый по частоте источник р-поляризованного монохроматического излучения, плоское и цилиндрическое фокусирующее зеркала, твердотельный плоскогранный проводящий образец, элемент преобразования излучения источника в поверхностные плазмоны (ПП), размещенный в непоглощающей окружающей среде непрозрачный экран, ориентированный перпендикулярно треку ПП, и фотодетектор, сопряженный с устройством обработки информации и установленный на перемещаемой вдоль трека платформе. Обращенный к направляющей ПП грани исследуемого образца край экрана удален от нее на расстояние не меньше глубины проникновения поля ПП в окружающую среду. Спектрометр также содержит регулируемую линию задержки, поворачиваемый поляризатор, укрепленное на платформе плоское зеркало, отражающая грань которого примыкает к направляющей грани исследуемого образца, наклонена к ней под углом 45° и ориентирована перпендикулярно к треку, фокусирующий объектив и установленную перед входным отверстием фотодетектора регулируемую диафрагму, лучеразделитель объемного излучения, расположенный на пути падающего на образец излучения на уровне наклонного зеркала. При этом торцовая грань образца, перпендикулярная плоскости падения излучения и смежная с направляющей гранью, имеет цилиндрическую форму поверхности, ось которой параллельна направляющей грани и лежит в плоскости, содержащей линию сопряжения цилиндрической и плоской граней, причем расстояние от этой линии до оси равно радиусу кривизны цилиндрической поверхности, а длина дуги, содержащей трек ПП на этой поверхности, меньше десяти длин распространения ПП. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений за счет повышения соотношения сигнал/шум. 2 ил.

Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр, содержащий перестраиваемый по частоте источник p-поляризованного монохроматического излучения, плоское и цилиндрическое фокусирующее зеркала, твердотельный плоскогранный проводящий образец, элемент преобразования излучения источника в поверхностные плазмоны (ПП), размещенный в непоглощающей окружающей среде непрозрачный экран, ориентированный перпендикулярно треку ПП, и фотодетектор, сопряженный с устройством обработки информации и установленный на перемещаемой вдоль трека платформе, отличающийся тем, что обращенный к направляющей ПП грани исследуемого образца край экрана удален от нее на расстояние не меньше глубины проникновения поля ПП в окружающую среду; кроме того, спектрометр дополнительно содержит регулируемую линию задержки, поворачиваемый поляризатор, укрепленное на платформе плоское зеркало, отражающая грань которого примыкает к направляющей грани исследуемого образца, наклонена к ней под углом 45° и ориентирована перпендикулярно к треку, фокусирующий объектив и установленную перед входным отверстием фотодетектора регулируемую диафрагму, а также лучеразделитель объемного излучения, расположенный на пути падающего на образец излучения на уровне наклонного зеркала; помимо этого, торцовая грань образца, перпендикулярная плоскости падения излучения и смежная с направляющей гранью, имеет цилиндрическую форму поверхности, ось которой параллельна направляющей грани и лежит в плоскости, содержащей линию сопряжения цилиндрической и плоской граней, причем расстояние от этой линии до оси равно радиусу кривизны цилиндрической поверхности, а длина дуги, содержащей трек ПП на этой поверхности, меньше десяти длин распространения ПП.