способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона

Формула изобретения

Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) инфракрасного диапазона, включающий измерение интенсивности ПЭВ после пробега волной двух различных расстояний по плоской поверхности образца и расчет значения комплексного показателя преломления по результатам измерений, отличающийся тем, что дополнительно измеряют глубину проникновения поля ПЭВ в окружающую образец среду, а расчет действительной и мнимой частей показателя преломления производят по формулам





где к₁ - действительная часть показателя преломления ПЭВ; к₂ - мнимая часть показателя преломления ПЭВ;

k₀=2 / , - длина объемной волны, генерирующей ПЭВ, в вакууме;

- глубина проникновения поля ПЭВ в окружающую образец среду с диэлектрической проницаемостью ;

I₁ и I₂ - интенсивность поля ПЭВ после пробега волной расстояний l₁ и l ₂ (причем l₂>l₁).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптике конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных твердых тел с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости, способных направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) [1] в инфракрасном (ИК) диапазоне, а также - для оптической спектроскопии переходного слоя и контроля качества поверхности таких тел.

Известен способ определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающий измерение интенсивности ПЭВ после пробега волной двух различных расстояний по плоской поверхности образца, измерение периода интерферограммы, регистрируемой на нормали к поверхности в плоскости падения генерирующего ПЭВ излучения и образованной в результате сложения двух объемных волн: реперной и порожденной ПЭВ при ее дифракции на краю образца, а также - расчет искомого показателя преломления по результатам измерений [2]. Основными недостатками способа являются большая продолжительность и низкая точность измерений, что обусловлено следующими причинами: 1) необходимостью изменения расстояния, пробегаемого ПЭВ в процессе измерений; 2) зависимостью диаграмм направленности интерферирующих волн от особенностей дифракционных элементов - края экрана, преобразующего падающее излучение в ПЭВ и порождающего первую объемную волну, и края образца, преобразующего ПЭВ во вторую объемную волну; 3) кривизной волновых фронтов интерферирующих волн, что приводит к зависимости периода и контраста интерферограммы от расстояния до поверхности образца.

Известен способ определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающий измерение интенсивности ПЭВ после пробега волной двух различных расстояний по плоской поверхности образца, измерения периода интерферограммы, регистрируемой в плоскости, параллельной поверхности образца, направляющей ПЭВ, и образованной в результате сложения двух сонаправленных объемных волн: реперной и волны, порожденной ПЭВ на перемещаемом вдоль трека ПЭВ наклонном зеркале, а также - расчет искомого показателя преломления по результатам измерений [3]. Основной недостаток способа - большая продолжительность измерений, что обусловлено необходимостью перемещения зеркала над образцом на макроскопическое расстояние (несколько сантиметров), на котором ПЭВ приобретает набег фазы порядка 2 .

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающий измерение интенсивности ПЭВ после пробега волной двух различных расстояний по плоской поверхности образца, измерение периода интерферограммы, образованной в результате сложения двух пучков лучей исходной ПЭВ и регистрируемой в плоскости, параллельной поверхности образца, а также - расчет искомого показателя преломления по результатам измерений [4]. Основной недостаток способа - низкая точность определения действительной части показателя преломления ПЭВ, что обусловлено сравнимостью периода интерферограммы с размером чувствительного элемента (пикселя) линейки фотоприемников, регистрирующей интерференционную картину.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности определения действительной части показателя преломления поверхностной волны.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающем измерение интенсивности ПЭВ после пробега волной двух различных расстояний по плоской поверхности образца и расчет значения комплексного показателя преломления по результатам измерений, дополнительно измеряют глубину проникновения поля ПЭВ в окружающую образец среду, а расчет действительной и мнимой частей показателя преломления производят по формулам:

где к₁ - действительная часть показателя преломления ПЭВ; к₂ - мнимая часть показателя преломления ПЭВ;

- длина объемной волны, генерирующей ПЭВ, в вакууме;

- глубина проникновения поля ПЭВ в окружающую образец среду с диэлектрической проницаемостью ;

I₁ и I₂ - интенсивность поля ПЭВ после пробега волной расстояний l₁ и l ₂ (причем l₂>l₁).

Повышение точности определения действительной части показателя преломления ПЭВ в предлагаемом способе достигается в результате отказа от интерферометрических измерений и проведения вместо них измерения глубины проникновения поля ПЭВ в окружающую образец среду за время одного импульса возбуждающего ПЭВ излучения.

Покажем, каким образом можно определить к₁ не прибегая к интерферометрическим измерениям (как это необходимо делать в способе прототипе). Известно, что глубину проникновения поля ПЭВ в окружающую образец среду с диэлектрической проницаемостью можно рассчитать по формуле [1]: где

Решив систему двух последних уравнений относительно к₁, получим формулу (1). Таким образом, измерив и определив к₂, по изменению интенсивности ПЭВ на расстоянии (l₂-l₁), можно определить величину к₁ не прибегая к интерферометрии.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 1 - источник p-поляризованного монохроматического излучения, 2 - элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ, 3 - образец, способный направлять ПЭВ и имеющий плоскую поверхность, 4 - уголковое зеркало, установленное на поверхности образца и ориентированное своими отражающими гранями перпендикулярно к ней, 5 - фокусирующие геодезические линзы, 6 - линейки фотоприемников, размещенные в фокальных плоскостях линз 5 перпендикулярно поверхности образца 3 и сопряженные с измерительными приборами G₁ и G₂, электрические сигналы с которых поступают в блок обработки информации 7.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом. Излучение источника 1 направляют на элемент 2, преобразующий объемную волну в параллельный пучок лучей ПЭВ на плоской поверхности образца 3. Исходный пучок ПЭВ достигает зеркала 4, разделяющего его на два одинаковых по энергии новых пучка ПЭВ. Эти пучки распространяются в противоположных направлениях и, пройдя различные расстояния l₁ и l₂, достигают линз 5. Пучки ПЭВ концентрируются на приемники соответствующих линеек 6 и порождают в них электрические сигналы, пропорциональные интенсивности поля ПЭВ на расстоянии данного приемника от поверхности образца 3. Сигналы измеряются приборами G₁, G₂ и поступают в блок 7, который вначале интегрирует сигналы с каждой линейки в отдельности и таким образом получает значения I₁ и I₂ . Затем, располагая значениями I₁, I₂, l₁, l₂ и , блок 7 по формуле (2) рассчитывает к₂. На втором этапе расчетов блок 7 по известным координатам приемников линеек 6 и значениям сигналов, поступивших с них, рассчитывает величину 6 и, располагая известной величиной и вычисленным к₂, по формуле (1) определяет значение к₁ Отметим, что устройство не содержит подвижных элементов и это позволяет выполнять измерения за время одного импульса излучения, возбуждающего ПЭВ.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения показателя преломления ПЭВ, генерируемых на поверхности плоского алюминиевого образца, размещенного в воздухе ( =1,00054), лазерным излучением с =110 мкм и длительностью импульсов 3 мкс [2]. Диаметр d поперечного сечения пучка излучения источника выберем равным 2,0 см, а в качестве элемента преобразования 2 - планарную дифракционную решетку с периодом 500 мкм и амплитудой гофра 100 мкм, длина и ширина которой не меньше d. Положим, что линзы 5 выполнены в виде сферических углублений в поверхности образца 3, имеющих диаметр 25 мм и образующий радиус, равный 20 мм; фокусное расстояние такой линзы равно 30 мм [5]. В качестве приемников излучения выберем линейки 6 длиной 16 мм с размером пикселя, равным 1 мкм (как в прототипе).

Пусть от граней зеркала 4 до линеек 6 пучки ПЭВ проходят расстояния l₁=50 мм и l₂=150 мм, при этом отношение сумм сигналов, поступающих в блок 7 от приборов G₁ и G₂, равно 1,95. Тогда согласно формуле (2) величина мнимой части показателя преломления такой ПЭВ к₂=1,17×10^-4.

Далее предположим, что отношение I_N/I_o=0,32 (где I_o - интенсивность поля ПЭВ, измеренная расположенным на уровне поверхности образца приемником любой из матриц, I _N - интенсивность поля ПЭВ на уровне наиболее удаленного от поверхности образца приемника любой из матриц; в нашем случае это расстояние z_max=16 мм). Тогда глубина проникновения поля ПЭВ в воздух равна: .

Подставив в (1) найденные значения и к₂, получим к₁=1,0003. Окончательно имеем, что показатель преломления ПЭВ в рассматриваемом примере к=1,0003+1,17×10^-4.

Оценим точность определения к₁ заявляемым способом. Поскольку размер одного фотоприемного пикселя равен 1 мкм, то относительная ошибка определения к₁ составит 10^-4, т.е. 0,01%. При прочих равных условиях, точность определения к₁ способом, взятым в качестве прототипа, на порядок меньше и составляет всего 0,1%.

Таким образом, измерение глубины проникновения поля ПЭВ в окружающую образец среду вместо измерения периода интерферограммы, полученной с участием ПЭВ, позволяет на порядок повысить точность определения действительной части комплексного показателя преломления ИК ПЭВ.

Источники информации

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. Bogomolov G.D., Jeong U.Y., Zhizhin G.N., Nikitin A.K. et al. Generation of surface electromagnetic waves in terahertz spectral range by free-electron laser radiation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (A), 2005, V.543, No.1, p.96-101.

3. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Рыжова ТА. Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в инфракрасном диапазоне спектра // Патент РФ на изобр. № 2263923. - Бюл. № 31 от 10.XI.2005 г.

4. Богомолов Г.Д., Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин А.К., Хитров О.В. Определение показателя преломления поверхностных плазмонов ИК-диапазона методом статической ассиметричной интерферометрии // Известия РАН. Серия физическая. - 2009, т.73, № 4, с.562-565 (прототип).

5. Bogomolov G.D., Zhizhin G.N., Nikitin А.К., Knyazev B.A. Geodesic elements to control terahertz surface plasmons // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research (A), 2009, V.603, No.1/2, p.52-55.