Плазмонный фурье-спектрометр терагерцового диапазона

Изобретение относится к оптическим методам исследования поверхности металлов и полупроводников. Спектрометр содержит источник объемного излучения, светоделитель, расщепляющий излучение на измерительный и реперный пучки, зеркало, твердотельный проводящий образец с двумя сопряженными скругленным ребром плоскими гранями, размещенный на одной из этих граней элемент преобразования излучения измерительного пучка в поверхностный плазмон (ПП), размещенный на второй грани образца элемент преобразования ПП в объемное излучение, выполненный в виде примыкающего к грани и перемещаемого вдоль трека ПП плоского зеркала, ориентированного перпендикулярно треку и наклонно к грани, второй светоделитель, совмещающий пучки и сопряженный с наклонным зеркалом, перемещаемым вместе со вторым светоделителем вдоль поверхности образца, фокусирующий объектив, фотоприемное устройство, второй объектив, размещенный на пути совмещенных пучков, устройство обработки информации, линию задержки, состоящую из четырех уголковых зеркал, попарно расположенных на пути пучков. Уголковые зеркала, отражающие измерительный пучок, сопряжены с наклонным зеркалом и вторым светоделителем, а источник излучения имеет сплошной спектр. Изобретение направлено на сокращение времени измерений спектра комплексного показателя преломления поверхностных плазмонов. 4 ил.

 

Изобретение относится к оптическим методам исследования поверхности металлов и полупроводников, а именно к определению спектров комплексной диэлектрической проницаемости или оптических постоянных (показателя преломления n и показателя поглощения k) как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения комплексного показателя преломления κ=κ'+i·κ'' (где i - мнимая единица) поверхностных плазмонов (ПП) терагерцового (ТГц) диапазона, и может найти применение в оптике поверхности твердого тела, в инфракрасной (ИК) спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в контрольно-измерительной аппаратуре источников ТГц-излучения.

Оптическая спектроскопия поверхности твердого тела - одна из основных областей применения ПП (Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред. / Под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.). В первых ПП-спектрометрах ИК-диапазона использовали разнесенные вдоль трека ПП-элементы прямого и обратного преобразования объемной волны в поверхностную. С помощью таких устройств непосредственно измеряли длину распространения ПП L в определенном диапазоне длин волн дискретно перестраиваемого лазерного источника излучения (Zhizhin G.N., Yakovlev V.A. Broad-band spectroscopy of surface electromagnetic waves // Physics Reports. - 1990. - v.194. - No. 5/6. - p.281-289). Основной недостаток таких ПП-спектрометров - большая продолжительность измерений и недостаточность объема информации, получаемой в результате измерений L, что позволяет определять только мнимую часть κ'' показателя преломления ПП.

Использование в ПП-спектроскопии плавно перестраиваемых по частоте лазеров на свободных электронах позволило повысить соотношение сигнал/шум (Zhizhin G.N., Alieva E.V., Kuzik L.A., Yakovlev V.A., Shkrabo D.M. Van der Meer A.F.G., Van der Wiel M.J. Free-electron laser for infrared SEW characterization surfaces of conducting and dielectric solids and nm films on them // Applied Physics (A), 1998, v.67, p.667-673). Применение интерференционной методики определения κ' наряду с определением κ'' по измеренной величине L повысило информативность метода ПП-спектроскопии, поскольку появилась возможность путем решения дисперсионного уравнения ПП рассчитать два параметра переходного слоя (например, его толщину и показатель преломления) или комплексную диэлектрическую проницаемость материала образца.

Известен плазменный спектрометр ТГц-диапазона для определения диэлектрической проницаемости проводящих материалов, содержащий перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения, светоделитель, расщепляющий падающее излучение на измерительный и реперный пучки, зеркало, элемент преобразования излучения измерительного пучка в ПП, твердотельный образец с плоской поверхностью, элемент преобразования ПП в объемное излучение, непрозрачную заслонку, перекрывающую реперный пучок при регистрации интенсивности излучения измерительного пучка, светоделитель, совмещающий измерительный и реперный пучки, регулируемый компенсатор, фокусирующий объектив и фотоприемное устройство (Жижин Г.Н., Никитин А.К., Рыжова Т.Н. Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в инфракрасном диапазоне спектра. // Патент РФ на изобретение №2263923, Бюл. №31 от 10.XI.2005 г.). Основным недостатком известного устройства является низкая точность определения комплексного показателя преломления ПП (из-за неоднозначности фазы объемной волны, излучаемой с различных участков элемента преобразования ПП в объемное излучение) и большая продолжительность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является плазменный спектрометр ТГц-диапазона, предназначенный для исследования проводящей поверхности и содержащий перестраиваемый по частоте источник монохроматического излучения, светоделитель, расщепляющий падающее излучение на измерительный и реперный пучки, регулируемый поглотитель излучения реперного пучка, зеркало, элемент преобразования излучения измерительного пучка в ПП, твердотельный проводящий образец с двухгранной поверхностью, элемент преобразования ПП в объемное излучение, непрозрачную заслонку, снабженную осью вращения, светоделитель, совмещающий измерительный и реперный пучки, фокусирующий объектив и фотоприемное устройство (ФПУ), причем элементы преобразования излучения в ПП и обратно размещены на разных гранях образца, сопряженных скругленным ребром, а элементом преобразования ПП в объемное излучение служит плоское зеркало, примыкающее к поверхности образца, ориентированное наклонно к ней, сопряженное со вторым светоделителем и перемещаемое вместе с последним вдоль поверхности образца (Жижин Г.Н., Никитин А.К., Балашов А.А., Рыжова Т.А. Плазменный спектрометр ТГц-диапазона для исследования проводящей поверхности. // Патент РФ на изобретение №2318192, Бюл. №6 от 27.02.2008 г.). Основным недостатком известного устройства является большая продолжительность измерений, обусловленная раздельностью процедур определения κ' и κ'' на дискретных частотах излучения источника.

Технический результат изобретения направлен на сокращение времени измерений спектра комплексного показателя преломления поверхностных плазмонов (κ=κ'+i·κ''), направляемых исследуемой поверхностью образца.

Технический результат достигается тем, что плазменный Фурье-спектрометр терагерцового диапазона, содержащий источник объемного излучения, светоделитель, расщепляющий излучение на измерительный и реперный пучки, зеркало, твердотельный проводящий образец с двумя сопряженными скругленным ребром плоскими гранями, размещенный на одной из этих граней элемент преобразования излучения измерительного пучка в поверхностный плазмон (ПП), размещенный на второй грани образца элемент преобразования ПП в объемное излучение, выполненный в виде примыкающего к грани и перемещаемого вдоль трека ПП плоского зеркала, ориентированного перпендикулярно треку и наклонно к грани, второй светоделитель, совмещающий пучки и сопряженный с наклонным зеркалом, перемещаемым вместе со вторым светоделителем вдоль поверхности образца, фокусирующий объектив и фотоприемное устройство (ФПУ), дополнительно содержит второй объектив, размещенный на пути совмещенных пучков, устройство обработки информации, линию задержки, состоящую из четырех уголковых зеркал, попарно расположенных на пути пучков, причем уголковые зеркала, отражающие измерительный пучок, сопряжены с наклонным зеркалом и вторым светоделителем, а источник излучения имеет сплошной спектр.

Сокращение времени измерений достигается в результате совмещения процедур определения κ' и κ'' при их одновременном выполнении для всех частот рабочего диапазона за счет использования широкополосного источника излучения и введения в состав спектрометра линии задержки и устройства обработки информации, способного выполнять полное Фурье-преобразование регистрируемой интерферограммы.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг.1 приведена схема заявляемого устройства, на фиг.2 представлена центральная часть интерферограммы, регистрируемой в рассматриваемом примере применения заявляемого устройства, на фиг.3 изображен спектр κ'(σ) и на фиг.4 - спектр κ''(σ), рассчитанные с использованием интерферограмм, зарегистрированных в рассматриваемом примере применения заявляемого устройства при расстояниях пробега ПП, равных a₁=1,0 см и a₂=1,5 см; здесь σ=1/λ - волновое число (см^-1).

Спектрометр содержит: 1 - источник p-поляризованного широкополосного излучения; 2 - светоделитель, расщепляющий пучок падающего излучения на измерительный и реперный пучки; 3 - фокусирующий объектив; 4 - элемент преобразования объемного излучения измерительного пучка в ПП; 5 - твердотельный проводящий образец, имеющий две плоские смежные грани, сопряженные скругленным ребром, на одной из которых размещен элемент 4, а на другой - элемент для преобразования ПП в объемное излучение, выполненный в виде примыкающего к грани подвижного плоского зеркала 6, ориентированного перпендикулярно измерительному пучку и наклонно к грани; 7, 8 - уголковые отражатели, расположенные на пути измерительного пучка и обеспечивающие когерентность монохроматических компонент в пучках; 9 - светоделитель, совмещающий измерительный и реперный пучки, 10 - платформа, перемещаемая вдоль трека ПП и содержащая элементы 6, 7, 8 и 9; 11, 12 - уголковые отражатели, расположенные на пути реперного пучка и обеспечивающие возможность регулировки разности оптических путей пучков; 13 - объектив, фокусирующий излучение совмещенных пучков на ФПУ 14, электрические сигналы с которого поступают на устройство обработки информации 15, способное выполнять полное Фурье-преобразование интерферограммы, регистрируемой ФПУ 14 при перемещении уголкового отражателя 8 (или 12).

Спектрометр работает следующим образом. Широкополосное излучение источника 1 направляют на светоделитель 2, расщепляющий падающее излучение на измерительный и реперный пучки. Излучение измерительного пучка фокусируется объективом 3 на элемент 4, преобразующий излучение в набор ПП с различными частотами. ПП пробегают до скругленного ребра (радиус закругления R>10λ), образованного двумя смежными плоскими гранями образца 5, преодолевают это ребро (с некоторыми радиационными потерями) и продолжают распространяться по второй грани до элемента 6, осуществляющего обратное преобразование набора ПП в объемные волны и направляющего их на пару зеркал 7 и 8. Пройдя эти зеркала, излучение измерительного пучка поступает на светоделитель 9, размещенный вместе с зеркалами 6, 7 и 8 на платформе 10. На другую сторону светоделителя 9 поступает излучение реперного пучка, прошедшего через вторую пару зеркал 11 и 12 линии задержки. Светоделитель 9 совмещает пучки и направляет их через объектив 13 на ФПУ 14, которое регистрирует интерференционный сигнал, являющийся функцией расстояния между парой зеркал 7 и 8 или 11 и 12, изменяемого по определенному закону во времени. Совокупность этих сигналов, называемых интерферограммой, подвергается устройством 15 полному Фурье-преобразованию. При этом расстояние между парой зеркал следует изменять таким образом, чтобы экстремальные значения оптической разности хода ±Δℓ_max интерферирующих пучков удовлетворяло критерию требуемого спектрального разрешения: δσ≈1/(2·|Δℓ_max|). Тогда число разрешаемых спектральных точек N=σ_max/δσ, где σ_max - максимальное волновое число излучения источника.

Функция автокорреляции I_инт(Δℓ) (интерферограмма) пучков, зависящая от расстояния а, описывается выражением:

где I_const - постоянное слагаемое интерферограммы, независящее от Δℓ;

ΔI_инт(Δℓ) - интерференционный член, подвергаемый полному Фурье-преобразованию и вычисляемый по формуле:

α_1ν, α_2ν - модули коэффициентов преобразования объемной волны в ПП и обратно;

- спектральная плотность излучения на входе интерферометра;

k_0ν - волновое число компоненты излучения с частотой ν в вакууме;

- показатель преломления ПП на частоте ν;

а - длина пробега ПП;

φ_0Аν - начальная разность фаз пучков спектральной компоненты с частотой ν при минимальной разности оптических путей пучков, включающая в себя фазы коэффициентов преобразования.

В силу ограниченности реального спектра излучения максимальной частотой ν_max интеграл в формуле для расчета ΔI_инт заменяется согласно теореме отсчетов Котельникова (Лебедько Е.Г. Математические основы передачи информации. / С.-Петербург: ГУИТМО, 2010. - с.63) суммой интенсивностей дискретных монохроматических компонент с частотами ν_j по точкам отсчетов j=0, 1, 2, …, N на оси частот:

где Δℓ_m - m-ное значение Δℓ (m=0, 1, 2, …, N); N - оптимальное число точек отсчетов, равное разрешающей способности Фурье-спектрометра:

где |Δℓ_max| - максимальное смещение отражателя 8 (или 12); с - скорость света в вакууме.

Применение обратного полного Фурье-преобразования к интерферограмме ΔI_инт(Δℓ_m) позволяет найти комплексный спектр излучения на ФПУ 14, описываемый суммой косинусного С_νj, и синусного S_νj, Фурье-преобразований интерферограммы (2):

Из комплексного спектра (4) можно выделить составляющие его амплитудный А_νj и фазовый φ_νj спектры:

где ; Arctg(x) - главное значение арктангенса в диапазоне -π/2≤х≤π2; φ_0Aνj - значение фазы комплексной аппаратной функции устройства на частоте ν_j.

Спектры А_νj и φ_νj содержат наряду с информацией о характеристиках ПП также и информацию о комплексной аппаратной функции прибора, модуль которой определяется амплитудными множителями I_0νj, α_1νj, α_2νj, а аргумент - фазовыми слагаемыми φ_0Aνj. Вклад всех этих аппаратных параметров можно исключить, выполнив измерения при двух различных расстояниях (a₁ и а₂) пробега ПП. Располагая двумя наборами спектров А_νj и φ_νj, можно определить спектры и , используя следующие соотношения:

где Δa=a₂-a₁, a индексы а₁ и a₂ означают значения индексируемых величин при соответствующих длинах пробега ПП.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность определения с его помощью спектра комплексного показателя преломления ПП, возбуждаемых в планарной структуре "золото - слой ZnS (1,0 мкм) - воздух" излучением в диапазоне 100-200 см^-1.

На фиг.2 представлена наблюдаемая в этом случае интерферограмма, полученная с абсолютным разрешением σ_max/N=0,05 см^-1 для a=1,0 см; где I_max соответствует динамическому диапазону устройства. Для иных значений а вид интерферограммы качественно не отличается от приведенной на фиг.2.

На фиг.3 изображен спектр к^'(σ) и на фиг.4 - спектр к^''(σ), рассчитанные по формулам (7) и (8) с использованием интерферограмм, зарегистрированных при a₁=l,0 см и а₂=1,5 см. Выбор значений а₁ и а₂ сделан с учетом условия a₁, a₂≤L_min (L_min=1,8 см - длина распространения ПП на максимальной частоте излучения, равной 200 см^-1), обеспечивающего возможность регистрации сигнала.

Размытие спектров у границ рабочего диапазона обусловлено эффектом Гиббса при математической обработке интерферограмм.

Таким образом, применение в заявляемом устройстве широкополосного источника, линии задержки, дополнительного фокусирующего объектива и устройства обработки информации, способного выполнять полное Фурье-преобразование, позволяет сократить время измерений при прочих равных условиях в N раз (где N - число точек отсчетов на измеренных спектрах).

Плазмонный фурье-спектрометр терагерцового диапазона, содержащий источник объемного излучения, светоделитель, расщепляющий излучение на измерительный и реперный пучки, зеркало, твердотельный проводящий образец с двумя сопряженными скругленным ребром плоскими гранями, размещенный на одной из этих граней элемент преобразования излучения измерительного пучка в поверхностный плазмон (ПП), размещенный на второй грани образца элемент преобразования ПП в объемное излучение, выполненный в виде примыкающего к грани и перемещаемого вдоль трека ПП плоского зеркала, ориентированного перпендикулярно треку и наклонно к грани, второй светоделитель, совмещающий пучки и сопряженный с наклонным зеркалом, перемещаемым вместе со вторым светоделителем вдоль поверхности образца, фокусирующий объектив и фотоприемное устройство (ФПУ), отличающийся тем, что спектрометр дополнительно содержит второй объектив, размещенный на пути совмещенных пучков, устройство обработки информации, линию задержки, состоящую из четырех уголковых зеркал, попарно расположенных на пути пучков, причем уголковые зеркала, отражающие измерительный пучок, сопряжены с наклонным зеркалом и вторым светоделителем, а источник излучения имеет сплошной спектр.