способ определения диэлектрической проницаемости проводящих тел в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра

Формула изобретения

Способ определения диэлектрической проницаемости проводящих тел в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра, включающий воздействие импульсом монохроматического лазерного излучения с p-поляризацией на плоскую поверхность образца, регистрацию фотоэлектрического сигнала на поверхности образца и угла падения пучка лазерного излучения, соответствующего возникновению фотоэлектрического сигнала максимальной величины, расчет диэлектрической проницаемости по формуле =2sin² .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптики конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных проводящих тел.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел, который включает разделение пучка падающего монохроматического излучения на реперный и измерительный пучки, а также возбуждение падающим излучением поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на поверхности образца, осуществляемые одновременно на краю непрозрачного экрана, размещенного в окружающей среде у поверхности образца; последовательный пробег ПЭВ двух различных макроскопических расстояний; преобразование ПЭВ в объемную волну на краю образца; регистрацию распределения интенсивности излучения над поверхностью образца в области пересечения реперного и измерительного пучков при выбранных расстояниях пробега ПЭВ; расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по результатам измерений и диэлектрической проницаемости материала образца путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца [Алиева Е.В., Жижин Г.Н., Кузик Л.В., Яковлев В.А. Исследование кристаллов в среднем и дальнем ИК диапазонах спектра методом спектроскопии поверхностных электромагнитных волн // Физика твердого тела, 1998, т.40, вып.2, с.213-216].

Недостатком способа является низкая точность определения диэлектрической проницаемости материала образца, обусловленная интерференционными явлениями.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра, основанный на исследовании характеристик поверхностной электромагнитной волны, возбуждаемой на поверхности образца падающим лазерным излучением [Жижин Г.Н., Никитин А.К., Рыжова Т.А. Способ определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра // Патент РФ на изобретение № 22639238, МПК 7 G01R 27/26, G01N 21/21, 22.03.2004, Бюл. № 31, 10.11.2005.].

Недостатком способа является сложность технической реализации и процедуры измерений, связанная с необходимостью использования интерференционной системы исследования параметров ПЭВ, несущей информацию о свойствах исследуемых тел.

Задачей изобретения является разработка нового способа определения диэлектрической проницаемости проводящих тел в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра на основе явления фотоэлектрического эффекта при воздействии на поверхность проводящих тел импульсами монохроматического лазерного излучения, позволяющего упростить процедуру измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа определения диэлектрической проницаемости твердых тел в инфракрасном диапазоне спектра предлагаемый способ определения диэлектрической проницаемости проводящих тел в оптическом и инфракрасном диапазоне спектра включает воздействие импульсом монохроматического лазерного излучения с p-поляризацией на плоскую поверхность образца, регистрацию фотоэлектрического сигнала на поверхности образца и угла падения пучка лазерного излучения, соответствующего возникновению фотоэлектрического сигнала максимальной величины, расчет диэлектрической проницаемости по формуле =2sin² .

Техническим результатом изобретения является упрощение процедуры измерений, которая включает измерение величины фотоэлектрического сигнала и угла падения пучка лазерного излучения на поверхность образца, при этом поверхность образцов может иметь размеры, составляющие 5-10 мм.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 1 - источник p-поляризованного монохроматического лазерного излучения, 2 - образец с плоской поверхностью, 3 - электроды на поверхности образца, 4 - осциллограф.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом. Пучок импульсного p-поляризованного монохроматического лазерного излучения от источника 1 направляют под углом на поверхность образца 2. При этом на электродах 3 возникает импульсный фотоэлектрический сигнал, который регистрируется осциллографом 4. Путем изменения угла падения пучка лазерного излучения добиваются получения максимального значения фотоэлектрического сигнала, соответствующий которому угол падения принимают в расчет диэлектрической проницаемости образца.

Возникновение фотоэлектрического сигнала на поверхности проводящих тел при воздействии импульсами лазера обусловлено взаимодействием электронов в скин-слое образца с фотонами в пучке лазера, в результате которого в образце возникает поверхностный ток, а на участке поверхности пленки - ЭДС [Александров В.А. Скин-эффект в проводящих пленках при лазерном воздействии // Альтернативная энергетика и экология, 2007, № 11, C.110-113].

Так, при взаимодействии электрона в скин-слое с фотоном - обратном рассеянии фотона - импульс электрона отдачи составит p_e=2 /c и электрон приобретает дополнительную скорость в направлении вдоль поверхности образца

где m_e - масса электрона, - угол падения пучка лазера на поверхность образца.

Движущиеся электроны создают поверхностный ток, плотность которого

где е - заряд электрона, n_e - количество взаимодействующих с фотонами электронов в единице объема скин-слоя образца.

Объем V_d скин-слоя, в котором происходит взаимодействие фотонов с электронами, равен произведению глубины d скин-слоя и площади облучаемой пучком лазера поверхности образца, определяемой сечением S_b пучка и углом его падения :

Импульс лазера обычно имеет огибающую и поэтому интенсивность I фотонов пучке такого импульса зависит от времени I=I(t). При наносекундных длительностях импульса лазера количество фотонов в единице объема скин-слоя образца можно выразить как

Учитывая коэффициент электрон-фотонного взаимодействия материала образца _e=(n_e/n_f)/с и подвижность электронов µ= e/m_e, где - время между их столкновениями, выражение (2) для плотности продольного тока в скин-слое образца можно привести к виду

Возникновение переменного ЭДС U_x (t) на участке х облучаемой импульсом лазером части поверхности образца обусловлено продольным током j_x(t) в скин-слое образца и проводимостью этого участка U_x(t)=j_x(t) х/ , поэтому зависимость сигнала фотоэлектрического эффекта от угла получается аналогичной (5):

Последнее выражение указывает, что максимальное значение фотоэлектрического сигнала на поверхности образца получается при воздействии пучком лазера, когда угол падения равен =± /4. Это выражение получено без учета преломления пучка лазера материалом образца и в качестве угла взаимодействия пучка лазера с электронами проводимости в скин-слое для реального образца необходимо принять угол преломления ₁ пучка лазера материалом образца. Тогда максимальное значение фотоэлектрического сигнала при воздействии импульсом лазера на поверхность образца должно соответствовать случаю достижения угла преломления значения ₁=± /4.

Диэлектрическая проницаемость проводящего тела определяется из закона преломления

Угол падения определяется из эксперимента, при котором регистрируется максимальное значение фотоэлектрического сигнала на электродах, размещенных на поверхности образца. Так как при этом угол преломления ₁= /4 и sin² /4=1/2, то =2sin² .

Пример. Экспериментально установлено, что воздействие импульсами лазера на наноуглеродные пленки толщиной 3-4 мкм, представляющие собой пленку из кристаллитов графита, на длине волны =532 нм (оптический диапазон частот) и на длине =1064 нм (инфракрасный диапазон частот) приводит к возникновению на этих пленках фотоэлектрического сигнала, максимальное значение которого соответствует углу падения пучка лазера =50° [Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Свирко Ю.П. Наблюдение эффекта оптического выпрямления в наноуглеродных пленках // Письма в ЖТФ, 2004, т.30, вып.17, с.88-94]. Так как графит по проводимости является полуметаллом и обладает электронной проводимостью, то возникновение фотоэлектрического сигнала на наноуглеродной пленке при воздействии импульсами лазера обусловлено фотон-электронным взаимодействием, известным как эффект увлечения электронов светом [Берегулин Е.В., Валов П.М., Рывкин С.М. и др. Эффект увлечения электронов светом в полуметаллах // Письма в ЖЭТФ, 1977, т.25, вып.2, с.113-116]. Тогда в соответствии с предлагаемым способом диэлектрическая проницаемость графита в оптическом и инфракрасном диапазоне частот составит =2sin²50° или =1.17.