Устройство для определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн металлическими пленками Советский патент 1991 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к оптике, исследующей распространение оптического излучения в планарных поглощающих структурах, точнее в структурах диэлектрик - металл - диэлектрик, и может быть использовано для определения оптических постоянных тонких металлических пленок в видимом и ИК диапазонах, спектроскопии поверхности металлов и в качестве датчика внешних воздействий.

Целью изобретения является повышение точности и производительности измерений.

На черетеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник 1 импульсного монохроматического излучения, элемент 2 преобразования объемной электромагнитной волны 3 в поверхностную электромагнитную волну 4, держатель металлической пленки 5, держатель 6 в виде планарной оптической подложки, электроды 7, последовательно расположенные вдоль трека этой волны за точкой обрыва связи между объемной 3 и поверхностной 4 волнами, источник 8 постоянного тока, усилитель 9 и измеритель 10 электрического напряжения.

Устройство работает следующим образом.

о

00

о со

N

Импульс монохроматического излучения длительностью At, имеющего отличную он нуля нормальную по отношению к поверхности металлической пленки 5 составляющую электрического поля, направляется из источника 1 излучения на элемент 2 преобразования объемной волны 3 в поверхностную волну 4 под углом возбуждения. Возбужденная волна 4 распространяется по металлической пленке 5 вдоль оси X и вследствие тепловых потерь затухает по экспоненциальном закону

I 10 ехр( - а х),

где 10 энергия (интенсивность) поля поверхностной электромагнитной волны при X - 0. т.е. в точке обрыва связи между поверхностной и объемной волнами; а- коэффициент поглощения.

Изменение температуры, а следовательно, и электрического сопротивления металлической пленки прямо пропорционально энергии поля волны в данной точке по оси X. В случае адиабатического процесса нагревания пленки 5 за время At длительности импульса возбуждающего излучения изменение электрического сопротивления A R участка металлической пленки 5, расположенного между электродами 7, обусловленное распространением поверхностной электромагнитной волны, равно:

п p(X2-XQ-l-irP-At.

S d С

Х2 ert XT еа-Х2

7

rJX,

(1)

xiX2-Xi

где Р - мощность р-составляющей излучения источника 1;

tj- эффективность возбуждения поверхностной электромагнитной волны;

ft- температурный коэффициент электрического сопротивления материала пленки 5;

S - площадь поперечного сечения пленки 5, перпендикулярного к оси X;

d - плотность материала пленки 5;

С - удельная теплоемкость материала пленки 5:

р - удельное электрическое сопротивление материала пленки 5;

Xi. Xz - расстояние по оси X соответственно от первого и второго (отсчет от элемента 2) электродов до точки обрыва связи между объемной 3 и поверхностной 4 волнами.

Изменение электрического сопротивления A R. определяемое формулой (1), обусловливает изменение падения электрического напряжения Л U на участке металлической пленки 5 между электродами 7:

AU I -AR ,(2),

где I - сила постоянного электрического тока, протекающего через пленку 5,

которое усиливается усилителем 9 и фиксируется измерителем 10 электрического напряжения. Зная величины физических характеристик пленки 5, мощность р-составляющей источника 1 излучения и эффективность преобразования объемной волны в поверхностную, при известных расстояниях Xi и Х2 и силе тока I можно с помощью формул (1) и (2) однозначно определить величину коэффициента поглощения поверхностной электромагнитной волны. Парциальная ошибка определения коэффициента поглощения, обусловленная неточностью измерения напряжения Аи

0,018, составляет 0,01%. Основной вклад в суммарную ошибку определения коэффициента поглощения в устройстве вносят погрешности определения расстояний Xi и Х2. обусловленные конечными размерами

электродов вдоль оси X, и нестабильность мощности импульсного излучения. Однако размер электродов вдоль оси X можно ограничивать требуемой величиной, а использование термостатированных (при

низких температурах) источников импульсного монохроматического излучения позволяет иметь нестабильность мощности импульсного излучения менее 1%. В этом случае суммарная ошибка определения коэффициента поглощения составляет 1,5%. Время измерения не превышает длительности импульса излучения и для рассмотренного примера составляет с.

Таким образом, по сравнению с прототипом точность определения коэффициента поглощения предлагаемым устройством повышена в 5 раз, а время измерений сокращено в 107 раз.

Формула изобретения

Устройс. во для определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн металлическими пленками, содержащее источник монохроматического излучения, оптически связанный через элемент преобразования объемной электромагнитной волны в поверхностную электромагнитную волну с держателем образца, и измеритель электрического напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и

производительности измерений, в устройство дополнительно введены два электрода, усилитель и источник постоянного тока, электроды последовательно расположены

на держателе образца вдоль направления распространения излучения и соединены параллельно с источником тока и усилителем, выход которого соединен с измеритераэмер электродов в направлении распространения излучения по крайней мере на порядок меньше расстояния между ними, а источник излучения выполнен им

Изобретение относится к оптике, изучающей распространение оптического излучения в планарных структурах диэлектрик - металл - диэлектрик. Целью изобретения является уменьшение времени измерений и повышение точности определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн металлическими пленками. Излучение, возбуждающее поверхностную волну, явпяется импульсным. Ширина металлической пленки выбирается не больше диаметра луча излучения, а толщина - не больше величины, при которой за время импуг.ьса излучения устраняется градиент температуры в пленка вдоль нормали к ее поверхности. Измеряемой величиной является изменение падения электрического напряжения, обусловленного нагревом пленки вследствие возбуждения поверхностной волны, при протекании по пленке постоянного эпектрического тока. 1 ил. ч Ё

лем электрического напряжения, при этом 5 пульсным.