УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ ПРОНИКНОВЕНИЯ ПОЛЯ ИНФРАКРАСНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНОВ В ВОЗДУХ Российский патент 2024 года по МПК G02B27/44 G01J3/42 

Изобретение относится к бесконтактным методам исследования поверхности металлов посредством инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) излучения, а именно: к определению показателя преломления ИК поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) - разновидности поверхностных электромагнитных волн [1], направляемых проводящей поверхностью, путём измерения глубины проникновения поля ППП в воздух и их длины распространения по исследуемой поверхности, и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности металлических и металлизированных изделий, в ИК и ТГц рефрактометрии отражающей поверхности оптических и лазерных зеркал, в оптических сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике дальнего ИК диапазона.

Значение диэлектрической проницаемости поверхности металлических и металлизированных элементов оптических схем может существенно отличаться от рассчитанной по модели Друде, особенно в ИК и ТГц диапазонах, где отражающая способность благородных металлов стремится к 100% [2]. Кроме того, в ТГц диапазоне отражательная способность поверхности металлов (непосредственно связанная с её диэлектрической проницаемостью) сильно зависит от качества и способа подготовки поверхности зеркала в пределах её скин-слоя [3]. Поэтому, для корректного моделирования работы оптических систем, необходимо использовать измеренное значение диэлектрической проницаемости отражающей поверхности конкретных металлических (металлизированных) элементов, а не её модельное представление или справочные данные.

Одним из современных методов определения диэлектрической проницаемости (где - мнимая единица; - частота излучения) поверхности металлических зеркал в ТГц диапазоне является метод плазмонной рефрактометрии [4], в котором определяют по измеренным значениям характеристик ППП; в частности - длины распространения и глубины проникновения поля ППП в окружающую среду (как правило, воздух) [5]. Величину для ТГц ППП измерить сравнительно просто, поскольку даже в реальных условиях (а не только при численном моделировании) она достигает дециметров [6]. Промер же глубины проникновения поля ТГц ППП в воздух затруднён наличием интенсивных паразитных объёмных волн, порождаемых как при дифракции излучения источника на элементе его преобразования в ППП, так и при рассеянии самих ППП на неоднородностях поверхности [7].

Известно устройство для измерения глубины проникновения поля ППП видимого диапазона в воздух, содержащее источник непоглощаемого воздухом р-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в ППП, прозрачный металлический образец, свободная поверхность которого способна направлять ППП на границе с воздухом, элемент преобразования ППП в объёмную волну и измеряющий интенсивность этой волны приёмник, а также внедряемый в поле ППП волоконно-оптический зонд, подключённый к сканирующему туннельному оптическому микроскопу [8]. Основными недостатками этого устройства, при его применении в ИК и ТГц диапазонах, являются ограниченность класса исследуемых с его помощью образцов (только прозрачные образцы), включение в его состав такого дорогостоящего оборудования как сканирующий туннельный микроскоп, низкое соотношение сигнал/шум из-за сильной дифракции поля ИК и ТГц ППП на внедрённом в него волоконно-оптическом зонде.

Известно устройство для измерения глубины проникновения поля ППП ТГц диапазона в воздух, содержащее источник непоглощаемого воздухом р-поляризованного монохроматического излучения, волноводный элемент преобразования излучения источника в ППП, непрозрачный металлический образец, плоская грань которого способна направлять ППП на границе с воздухом, элемент преобразования ППП в объёмную волну, изготовленный в виде плоского зеркала, примыкающего к грани образца, ориентированного своей отражающей поверхностью перпендикулярно треку ППП и отклонённого от нормали к грани на 45°, фокусирующий цилиндрический объектив, линейку фотодетекторов и устройство обработки поступающих с линейки данных [9]. Основными недостатками этого устройства являются: 1) низкое соотношение сигнал/шум из-за интенсивных паразитных объёмных волн, формируемых при дифракции поля ППП на выходе из волноводного элемента преобразования и с трека ППП, а также вследствие рассеяния ППП на неоднородностях поверхности образца; 2) сложность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для измерения глубины проникновения поля ППП ТГц диапазона в воздух, содержащее источник непоглощаемого воздухом р-поляризованного монохроматического излучения, дифракционный элемент преобразования излучения источника в ППП, сопряжённый с плоской гранью металлического образца, способной направлять ППП на границе с воздухом, непрозрачный плоский экран, размещённый над треком ППП и ориентированный перпендикулярно плоскости падения излучения, элемент преобразования ППП в объёмную волну, изготовленный в виде плоского зеркала примыкающего к грани образца, ориентированного своей отражающей поверхностью перпендикулярно треку ППП и отклонённого от нормали к грани на 45°, фокусирующий объектив и однопиксельный приёмник излучения, расположенный относительно объектива и примыкающей к поверхности образца кромки зеркала по схеме 2f-2f (где f - фокусное расстояние объектива); причём комплекс «зеркало - объектив - приёмник» размещён на подвижной платформе, способной перемещаться как вдоль трека ППП, так и вдоль нормали к поверхности образца [7]. Основными недостатками этого устройства являются: 1) низкое соотношение сигнал/шум из-за интенсивных паразитных объёмных волн, формируемых при дифракции поля ППП на кромке экрана и стыке элемента преобразования излучения в ППП с образцом, а также вследствие рассеяния ППП на неоднородностях поверхности; 2) сложность конструкции.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение соотношения сигнал/шум при выполнении с его помощью измерений, а также упрощение конструкции устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения глубины проникновения поля ИК ППП в воздух, содержащем источник коллимированного непоглощаемого воздухом р-поляризованного монохроматического излучения, цилиндрический фокусирующий объектив с осью перпендикулярной плоскости падения, элемент преобразования излучения источника в ППП, образец, поверхность которого способна направлять ППП, элемент преобразования ППП в объёмную волну и измеряющий интенсивность этой волны однопиксельный фотоприёмник, подключённый к гальванометру, образец выбран в виде выпуклого цилиндрического сегмента с осевой линией ориентированной перпендикулярно плоскости падения и радиусом кривизны много больше длины волны излучения, причём арочная поверхность такого образца способна направлять ППП и ограничена в плоскости падения с обеих сторон перпендикулярными ей прямоугольными рёбрами, а длина дуги, стягивающей рёбра в плоскости падения одного порядка с длиной распространения ППП по этой поверхности; кроме того, устройство дополнительно содержит ориентированный перпендикулярно треку ППП непрозрачный плоский экран с внедряемой в поле ППП клиновидной кромкой, отделённой от поверхности образца регулируемым воздушным зазором.

Повышение соотношения сигнал/шум при выполнении измерений с помощью заявляемого устройства достигается вследствие понижения интенсивности паразитных объёмных волн, порождаемых как при дифракции излучения источника на элементе преобразования его в ППП (функцию такого элемента в заявляемом устройстве выполняет прямоугольное ребро образца [10]), так и с трека ППП при их рассеянии на неоднородностях поверхности [7], путём экранирования приёмника от большей части трека ППП и прямоугольного ребра образца, выполняющего функцию элемента преобразования излучения источника в ППП, выпуклостью поверхности образца.

На Рис.1 приведена схема заявляемого устройства (вид сбоку), где: 1 - источник р-поляризованного коллимированного монохроматического излучения; 2 - цилиндрический фокусирующий объектив с осью перпендикулярной плоскости падения; 3 - ориентированное перпендикулярно плоскости падения прямоугольное ребро выпуклой цилиндрической поверхности образца 4, способной направлять. ППП и имеющей радиус кривизны много больше длины волны излучения; 5 - ориентированный перпендикулярно треку ППП непрозрачный плоский экран с внедряемой в поле ППП клиновидной кромкой, отделённой от поверхности образца регулируемым воздушным зазором; 6 - второе ориентированное перпендикулярно плоскости падения излучения прямоугольное ребро выпуклой поверхности образца 4; 7 - однопиксельное фотоприёмное устройство, подключённое к гальванометру 8.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на элемент 2, который фокусирует его на ребре 3 образца 4. В результате дифракции на ребре 3 излучение преобразуется в ППП, направляемые выпуклой гранью образца 4. Достигнув линии, над которой расположена кромка острия экрана 5, поле ППП частично отражается от него и частично проникает в область за экраном 5, продолжая распространяться по выпуклой грани образца 4. Поступив на второе прямоугольное ребро 6 выпуклой грани образца 4, ППП дифрагируют на нём и преобразуются в объёмную волну [11], интенсивность которой детектируется приёмником 7 и оцифровывается гальванометром 8. Интенсивность ППП, поступивших на ребро 6, пропорциональна доле энергии той части поля ППП, которая проникла в область выпуклой поверхности образца 4 за экраном 5. Изменяя расстояние, отделяющее кромку острия экрана 5 от выпуклой поверхности образца 4, измеряют зависимость величины показаний гальванометра 8 от этого расстояния, которая и представляет собой распределение поля ППП в воздухе над поверхностью образца 4.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность измерения с его помощью глубины проникновения δ в воздух поля ППП, генерируемых излучением с λ=129 мкм на поверхности напылённого золота, содержащей слой сульфида цинка толщиной 1.0 мкм. Подложкой выберем выпуклую поверхность цилиндрического сегмента с радиусом 60 мм и углом при вершине 40°; тогда длина дуги, стягивающей рёбра сегмента в плоскости падения, составит 42 мм. Известно, что такие ППП характеризуются : 1) коэффициентом затухания α≈1 см^-1, что соответствует длине их распространения L≡α^-1≈10 мм [12]; 2) показателем преломления [4]. Тогда глубину проникновения поля (по мощности) таких ППП в воздух можно рассчитать по формуле [1]:

, (1)

где , , - диэлектрическая проницаемость воздуха, отличающаяся от единицы в четвёртом знаке после запятой. Подставив в формулу (1) значения и , получим мм.

На рис. 2 приведена расчётная зависимость интенсивности поля рассмотренных в примере ППП от расстояния z до поверхности золота. В интервале мм «шаг» смещения экрана 5 равен мкм, что позволяет определить значение с точностью ; в то время как точность определения устройством-прототипом составляет около .

Таким образом, заявляемое устройство позволяет более точно определять глубину проникновения поля инфракрасных поверхностных плазмон-поляритонов в воздух и при этом конструктивно проще по сравнению с устройством-прототипом.

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. Naftaly M. and Dudley R. Terahertz reflectivities of metal-coated mirrors // Applied Optics, 2011, v. 50, No. 9, p. 3201-3204.

3. Yasuda H. and Hosako I. Measurement of terahertz refractive index of metal with terahertz time-domain spectroscopy // Japan. J. Applied Physics, 2008, v. 47, No. 3, p. 1632-1634.

4. Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Lemzyakov A.G., Azarov I.A., Kotelnikov I.A. Obtaining the effective dielectric permittivity of a conducting surface in the terahertz range via the characteristics of surface plasmon polaritons // Applied Sciences, 2023, v. 13, Art. ID 7898.

5. Gerasimov V.V., Knyazev B.А., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v.98, No.17, Art. ID 171912.

6. Begley D.L., Alexander R.W., Ward C.A., Miller R., ans Bell R.J. Propagation distances of surface electromagnetic waves in the far infrared // Surface Science, 1979, v. 81, No. 1, p. 245-251.

7. 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. (прототип)

8. Marti O., Bielefeldt H., Hecht B., Herminghaus S., Leiderer P., and Mlynek J. Near-field optical measurement of the surface plasmon field // Optics Communications, 1993, v. 96, No. 4-6, p. 225-228.

9. Князев Б.А., Герасимов В.В., Никитин А.К. Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду // Патент RU 2491533, Бюл. №24 от 27.08.2013 г.

10. Stegeman G.I., Wallis R.F., and Maradudin A.A. Excitation of surface polaritons by end-fire coupling // Optics Letters, 1983, v. 8, No. 7, p. 386-388.

11. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // JOSA (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190.

12. Knyazev B.A., Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Azarov I.A., Choporova Yu.Yu. Propagation of terahertz surface plasmon polaritons around a convex metal-dielectric interface // JOSA (B), 2019, v. 36, Is. 6, p. 1684-1689.

Изобретение относится к бесконтактным методам исследования поверхности посредством инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) излучения. Устройство для измерения глубины проникновения поля инфракрасных поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) в воздух содержит источник непоглощаемого воздухом р-поляризованного монохроматического излучения, цилиндрический фокусирующий объектив, образец в виде выпуклого цилиндрического сегмента с осевой линией, ориентированной перпендикулярно плоскости падения и радиусом кривизны много больше длины волны излучения. При этом арочная поверхность образца способна направлять ППП и ограничена в плоскости падения с обеих сторон перпендикулярными ей прямоугольными рёбрами, а длина дуги одного порядка с длиной распространения ППП. Устройство содержит элемент преобразования ППП в объёмную волну, однопиксельный фотоприёмник, подключённый к гальванометру и ориентированный перпендикулярно треку ППП непрозрачный плоский экран с внедряемой в поле ППП клиновидной кромкой, отделённой от поверхности образца регулируемым воздушным зазором. Технический результат – повышение соотношения сигнал/шум при выполнении с его помощью измерений. 2 ил.

Устройство для измерения глубины проникновения поля инфракрасных поверхностных плазмон-поляритонов в воздух, содержащее источник коллимированного непоглощаемого воздухом р-поляризованного монохроматического излучения, цилиндрический фокусирующий объектив с осью перпендикулярной плоскости падения, элемент преобразования излучения источника в поверхностные плазмон-поляритоны, образец, поверхность которого способна направлять поверхностные плазмон-поляритоны, элемент преобразования поверхностных плазмон-поляритонов в объёмную волну, измеряющий интенсивность этой волны однопиксельный фотоприёмник, подключённый к гальванометру, отличающееся тем, что образец выбран в виде выпуклого цилиндрического сегмента с осевой линией ориентированной перпендикулярно плоскости падения и радиусом кривизны много больше длины волны излучения, причём арочная поверхность такого образца способна направлять поверхностные плазмон-поляритоны и ограничена в плоскости падения с обеих сторон перпендикулярными ей прямоугольными рёбрами, а длина дуги, стягивающей рёбра в плоскости падения, одного порядка с длиной распространения поверхностных плазмон-поляритонов по этой поверхности; кроме того, устройство дополнительно содержит ориентированный перпендикулярно треку поверхностных плазмон-поляритонов непрозрачный плоский экран с внедряемой в поле поверхностных плазмон-поляритонов клиновидной кромкой, отделённой от поверхности образца регулируемым воздушным зазором.