Способ определения распределения интенсивности поля терагерцевых поверхностных плазмон-поляритонов над направляющей их поверхностью Российский патент 2024 года по МПК G01N21/55 

Область техники

Изобретение относится к бесконтактным методам исследования поверхности металлов посредством терагерцевого (ТГц) излучения, а именно к определению показателя преломления ТГц поверхностных плазмон-поляритонов (далее - ППП) - разновидности поверхностных электромагнитных волн, направляемых проводящей поверхностью по измеренным глубине проникновения поля ППП в воздух и их длине распространения по исследуемой поверхности, и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности металлических и металлизированных изделий, в ТГц рефрактометрии отражающей поверхности оптических и лазерных зеркал, в оптических сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике ТГц диапазона.

Значение диэлектрической проницаемости поверхности металлических и металлизированных элементов оптических схем может существенно отличаться от рассчитанной по модели Друде, особенно в ТГц диапазоне, где отражающая способность благородных металлов стремится к 100%. Кроме того, на ТГц частотах отражательная способность поверхности металлов (непосредственно связанная с её ) сильно зависит от качества и способа подготовки поверхности зеркала в пределах её скин-слоя. Поэтому, для корректного моделирования работы оптических и плазмон-поляритонных систем передачи и обработки информации, 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 поверхности металлических зеркал в ТГц диапазоне является метод плазмонной рефрактометрии, в котором определяют по измеренным значениям характеристик ППП; в частности, - по длине распространения и показателю преломления ППП или по длине распространения и глубине проникновения поля ППП в окружающую среду (как правило, воздух). Величину для ТГц ППП измерить сравнительно просто, поскольку даже в реальных условиях (а не только при численном моделировании) она достигает дециметров. 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.

Под признаком «трек» следует понимать траекторию, линию движения частиц поверхностных плазмон-поляритонов.

Уровень техники

Известен способ определения распределения интенсивности поля поверхностных плазмон-поляритонов видимого диапазона над направляющей их поверхностью, включающий генерирование ППП методом нарушенного полного внутреннего отражения на плоской поверхности проводящего образца непоглощаемым окружающей средой монохроматическим р-поляризованным излучением внешнего источника, внедрение в поле ППП волоконно-оптического зонда, подключённого к сканирующему туннельному оптическому микроскопу, промер распределения интенсивности поля ППП над поверхностью образца путём перемещения зонда вдоль нормали к поверхности образца и анализа зависимости сигнала с выхода микроскопа от расстояния до поверхности. Основными недостатками этого способа, при его применении в ТГц диапазоне, являются ограниченность класса исследуемых с его помощью образцов (только прозрачные образцы), низкое соотношение сигнал/шум из-за сильной дифракции поля ТГц ППП на внедрённом в него зонде, использование такого дорогостоящего оборудования как сканирующий туннельный микроскоп(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).

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности определения распределения интенсивности поля терагерцевых поверхностных плазмон-поляритонов над направляющей их поверхностью.

Технический результат достигается тем, что в способе определения распределения интенсивности поля терагерцевых ППП над направляющей их поверхностью, включающем генерирование ППП на плоской поверхности проводящего образца непоглощаемым окружающей средой монохроматическим р-поляризованным излучением внешнего источника, экранирование приёмника излучения от паразитных объёмных волн (ОВ), формируемых при преобразовании излучения в ППП, промер распределения интенсивности электромагнитного поля над поверхностью образца после пробега ППП расстояния соразмерного с их длиной распространения, промер выполняют вдоль нормали к поверхности в пределах, включающих поле исходящих с трека ППП паразитных ОВ, и дополнительно определяют распределение на нормали интенсивности поля только этих ОВ, а искомое распределение интенсивности поля ППП находят как разность между первым и вторым найденными распределениями в пределах их перекрытия.

Повышение точности измерений достигается путём дополнительного измерения распределения интенсивности только паразитных объёмных волн (далее - ОВ) над поверхностью образца, порождаемых при рассеянии ППП на неоднородностях его поверхности и распространяющихся над ней в окружающей среде под скользящим углом. Вычет результатов этого дополнительного измерения из результатов промера распределения интенсивности суммы полей ППП и паразитных ОВ, позволяет определить истинное распределение интенсивности поля ТГц ППП над направляющей их поверхностью.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 - схема устройства, реализующего способ: (а) - вид сбоку с размещением элементов при реализации первого этапа измерений; (б) - вид сбоку с размещением элементов при реализации второго этапа измерений; на фиг. 2 - распределение интенсивности суммы полей ППП и паразитных ОВ (пунктирная линия), распределение интенсивности только поля паразитных ОВ (штрих-пунктирная линия) и искомое распределение интенсивности поля ППП, равное разности первых двух распределений на нормали к поверхности образца (сплошная линия).

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на фиг.1, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного р-поляризованного монохроматического излучения; 2 - вогнутое фокусирующее зеркало с цилиндрической отражающей поверхностью; 3 - цилиндрический элемент преобразования излучения в ППП, примыкающий ребром своей выпуклой поверхности к способной направлять ППП плоской грани 4 образца 5; 6 - поглощающий плоский экран, ориентированный перпендикулярно плоскости падения излучения и край которого удален от грани 4 на расстояние не меньше глубины проникновения поля ППП δ в окружающую среду; 7 - матрица фотодетекторов, размер светочувствительной площадки которой в плоскости падения не меньше δ, а пиксели её рядов электрически соединены между собой; 8 - устройство накопления и обработки информации, подключённое к матрице 7; 9 - цилиндрический элемент преобразования ППП в объёмную волну, примыкающий ребром своей выпуклой поверхности к грани 4.

Осуществление изобретения

Излучение источника 1 направляют на зеркало 2, которое фокусирует его в линию, совпадающую со свободным ребром цилиндрической поверхности элемента 3. В результате дифракции на этом ребре излучение с некоторой эффективностью преобразуется в ППП, направляемые выпуклой поверхностью элемента 3. Дойдя до противоположного ребра этой поверхности элемента 3, ППП переходят на плоскую грань 4 образца 5. Паразитные объёмные волны (ОВ), порождённые на элементе 3 и его стыке с гранью 4, поглощаются экраном 6. Прошедшие под экраном 6 ППП распространяются в плоскости падения по грани 4, генерируя, вследствие рассеяния на неоднородностях её поверхности, паразитные ОВ. Эти ОВ излучаются с трека ППП в окружающую среду под небольшим углом β к грани 4; величина угла β зависит от состава, размера и степени неоднородностей, а также - от оптических параметров покровного диэлектрического слоя (при наличии такового) на грани 4.

Измерения осуществляют в два этапа.

На первом этапе (см. фиг. 1 а) регистрируют в конце трека ППП распределение вдоль нормали к грани 4 интегральной интенсивности полей ППП и исходящих с трека паразитных ОВ. Для этого матрицу 7 ориентируют перпендикулярно как к грани 4, так и к плоскости падения излучения, размещают у торца образца 5 в пределах пучка ППП таким образом, чтобы нижний ряд её пикселей находился на уровне плоскости грани 4, а последующие её ряды были освещены как полем ППП, так и полем паразитных ОВ, испускаемых с трека ППП. Совокупность сигналов с рядов пикселей матрицы 7 воспроизводит распределение суммы интенсивностей полей ППП и паразитных ОВ на нормали к грани 4 в конце трека ППП. Эти сигналы поступают в устройство 8 и запоминаются им.

На втором этапе измерений (см. фиг. 1 б) матрицу 7 снимают с грани 4, а элемент 9 примыкают к торцовой грани образца 5. Переход ППП на выпуклую поверхность элемента 9 позволяет увести их в полупространство под плоскостью гранью 4 с целью устранения засветки матрицы 7 полем ППП. Матрицу 7 размещают за пределами образца 5 таким образом, чтобы все лучи паразитных ОВ, исходящих с трека ППП под углом , падали по нормали на площадку её светочувствительных пикселей. Сигналы, генерируемые рядами матрицы 7, пропорциональные распределению интенсивности паразитных ОВ вдоль их волнового фронта, отклонённого от нормали к грани 4 на малый угол , поступают в устройство 9 наряду со значением угла . Устройство 9 пересчитывает это распределение в распределение интенсивности паразитных ОВ на нормали к грани 4 у её торцового ребра, где на первом этапе измерений размещалась матрица 7. Вычтя из распределения, зарегистрированного на первом этапе измерений, распределение интенсивности паразитных ОВ на нормали к грани 4, устройство 9 выдаёт «очищенное» от паразитных засветок распределение интенсивности поля ППП на этой нормали.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения распределения интенсивности поля ТГц ППП с длиной волны 130 мкм в воздухе над поверхностью напылённого золота со слоем сульфида цинка толщиной 0.4 мкм. Согласно данным, приведённым в, длина распространения L таких ППП равна 130 мм, глубина проникновения их поля (по мощности) в воздух составляет 0.50 мм, а угол β между поверхностью образца и лучами паразитных ОВ с трека ППП равен примерно 2.6°. Расстояние между экраном 5 и элементом преобразования 11 положим равным длине распространения ППП, т.е. 130 мм. В качестве детектора излучения 9 используем матрицу ТГц микроболометров с приёмной площадкой 16.32×12.24 мм² и размером пикселей 51×51 мкм². С учётом пути ППП (130 мм) и угла излучения паразитных ОВ с трека ППП в воздух β=2.6°, необходимо оценить интенсивность излучения на отрезке величиной 5.90 мм, лежащем на нормали к грани 4 у её торцового ребра (отсчёт от поверхности грани 4).

Установлено, что интенсивность поля паразитных ОВ пропорциональна интенсивности ППП в данной точке трека. Поэтому интенсивность поля ОВ на нормали (при условии прозрачности воздуха) изменяется, по мере перемещения вдоль нормали от точки с координатой к поверхности грани 4, по убывающей экспоненте с коэффициентом затухания , равным коэффициенту затухания ППП . Положим, также, что интенсивность поля паразитных ОВ в точке (удалённой от грани 4 на 5.90 мм) составляет четверть от интенсивности поля ППП на поверхности образца 4 ().

На фиг. 2 приведены расчётные зависимости распределение интенсивности на нормали к поверхности 4 образца 5 суммы полей ППП и паразитных ОВ , распределение интенсивности только поля паразитных ОВ и искомое распределение интенсивности поля ППП , равное разности первых двух распределений на нормали к поверхности образца; причём, поскольку близко к нулю при , то на рисунке изображены графики этих функций только в пределах . Из графиков на фиг. 2 видно, что глубина проникновения поля ППП в воздух (расстояние, на котором интенсивность поля уменьшается в раз) без вычета распределения интенсивности поля паразитных ОВ (кривая ) равна 0.50 мм; в то время как при учёте распределения интенсивности поля паразитных ОВ (кривая ) мм. Из этого следует, что учёт распределения интенсивности поля паразитных ОВ (в пределах поля ППП над гранью 4 образца 5) повышает точность определения глубины проникновения поля ППП в воздух на 16%.

Изобретение относится к бесконтактным методам исследования поверхности металлов посредством терагерцевого (ТГц) излучения. Способ включает генерирование поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) на плоской поверхности проводящего образца непоглощаемым окружающей средой монохроматическим р-поляризованным излучением внешнего источника, экранирование приёмника излучения от паразитных объёмных волн (ОВ), формируемых при преобразовании излучения в ППП, промер распределения интенсивности электромагнитного поля над поверхностью образца после пробега ППП расстояния, соразмерного с их длиной распространения, промер выполняют вдоль нормали к поверхности в пределах, включающих поле исходящих с трека ППП паразитных ОВ, и дополнительно определяют распределение на нормали интенсивности поля только этих ОВ, а искомое распределение интенсивности поля ППП находят как разность между первым и вторым найденными распределениями в пределах их перекрытия. Технический результат – повышение точности определения распределения интенсивности поля терагерцевых поверхностных плазмон-поляритонов над направляющей их поверхностью. 2 ил.

Способ определения распределения интенсивности поля терагерцевых поверхностных плазмон-поляритонов над направляющей их поверхностью, характеризующийся тем, что генерируют поверхностные плазмон-поляритоны на плоской поверхности проводящего образца непоглощаемым окружающей средой монохроматическим р-поляризованным излучением, экранируют приёмник излучения от паразитных объёмных волн, формируемых при преобразовании излучения в поверхностных плазмон-поляритонах, производят промер распределения интенсивности электромагнитного поля над поверхностью образца после пробега поверхностных плазмон-поляритонов, расстояния, соразмерного с их длиной распространения, отличающийся тем, что промер выполняют вдоль нормали к поверхности в пределах, включающих поле исходящих с трека поверхностных плазмон-поляритонов паразитных объёмных волн, определяют распределение на нормали интенсивности поля паразитных объёмных волн, распределение интенсивности поля поверхностных плазмон-поляритонов получают в виде разности между первым и вторым найденными распределениями в пределах их перекрытия.