Устройство для исследования распространения поверхностных электромагнитных волн (пэв) и средство для исследования влияния тонких пленок и микрообъектов на их распространение

Изобретение относится к оптике, к светотехнике, к оптическим методам анализа и оптическим способам исследования биологических и иных объектов. Устройство для исследования распространения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) вдоль образца, содержащего гладкую искривленную металлическую подложку, включает в себя источник и приемник объемной электромагнитной волны (ОЭВ), а также преобразователи ОЭВ в ПЭВ и ПЭВ в ОЭВ. Преобразователи представляют собой металлические лезвия, имеющие кромки, выполненные конгруэнтными поверхности образца. Лезвия установлены с возможностью регулирования ширины щели между их кромками и поверхностью упомянутого образца. Технический результат - повышение эффективности использования ОЭВ при исследовании образцов с криволинейной поверхностью. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Группа изобретений относится к оптике, к светотехнике, к оптическим методам анализа и оптическим способам исследования биологических и иных объектов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны различные способы преобразования объемных электромагнитных волн (далее, для краткости - «ОЭВ») оптического диапазона в поверхностные электромагнитные волны (далее, для краткости - «ПЭВ», или «поверхностные плазмоны»), в частности призменный метод в модификации Отто, призменный метод в модификации Кречмана и решеточный метод (см. обзорную статью Либенсон М.Н. Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона. Соросовский образовательный журнал. 1996, 10:92-8).

Известно устройство для исследования распространения поверхностных плазмонов, состоящее из источника лазерного излучения, призмы, преобразующей часть лазерного излучения (ОЭВ) в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), металлического образца с нанесенными на него диэлектрическими и/или полупроводниковыми пленками, призмы, преобразующей поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) в объемную электромагнитную волну (ОЭВ), и приемника излучения (см. статью Zhizhin G.N. et al. Aluminum optical constants in far infrared determined from surface electromagnetic waves characteristics. Proc. of SPIE, 6162:61620C-1). Устройство позволяет определять оптические постоянные металлической поверхности на частотах лазерного излучения при известных диэлектрических постоянных пленок или при известных оптических постоянных металлической поверхности диэлектрические постоянные пленок.

Известно устройство аналогичного назначения, содержащее два бритвенных лезвия, установленных на расстоянии друг от друга перпендикулярно плоскому металлическому образцу, в котором первое лезвие служит для преобразования ОЭВ в ПЭВ, а второе - для обратного преобразования (см. статью Saxler J. et al. Time-domain measurements of surface plasmon polaritons in the terahertz frequency range. Phys. Rev., 2004, 69:155427-1).

Общим недостатком этих устройств является низкая эффективность использования ОЭВ при исследовании образцов с криволинейной поверхностью, например с цилиндрической или трубчатой поверхностью.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для исследования распространения поверхностных плазмонов в образцах с плоской и искривленной поверхностью.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности использования ОЭВ при исследовании образцов с криволинейной поверхностью. Это позволяет снять ранее существовавшее ограничение по форме образцов, пригодных для анализа методом поверхностного плазменного резонанса.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для исследования распространения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) вдоль образца, содержащего гладкую искривленную металлическую подложку, включает в себя источник и приемник объемной электромагнитной волны (ОЭВ), а также преобразователи ОЭВ в ПЭВ и ПЭВ в ОЭВ, представляющие собой металлические лезвия, имеющие кромки, выполненные конгруэнтными поверхности образца, которые (лезвия) установлены с возможностью регулирования ширины щели между их (лезвий) кромками и поверхностью упомянутого образца.

Искривленная поверхность является гладкой в том смысле, что размер неровностей достаточно мал, чтобы полностью или в существенной степени препятствовать распространению ПЭВ.

Благодаря выполнению кромок лезвий конгруэнтными гладкой криволинейной поверхности металлической подложки неожиданно удалось приблизить эффективность использования ОЭВ к таковой при исследовании плоских объектов призменным методом.

Вышеописанное техническое решение может быть использовано в различных частных формах, в каждой из которых достигается тот же технический результат.

В частной форме выполнения источник ОЭВ представляет собой терагерцевый лазер.

В еще одной частной форме выполнения упомянутая подложка выполнена из благородного металла, предпочтительно из золота или платины.

В другой частной форме выполнения упомянутые лезвия установлены таким образом, что при регулировании ширина щели остается постоянной по всей ее длине.

В еще одной частной форме выполнения устройство дополнительно содержит пьезоэлектрический привод для точного позиционирования упомянутых лезвий.

В другой частной форме выполнения устройство дополнительно содержит термостат для точного регулирования ширины щелей между кромками упомянутых лезвий и поверхностью образца.

В частной форме упомянутые лезвия выполнены таким образом, что расстояние между их кромкой и поверхностью объекта по всей длине участка преобразования ОЭВ и ПЭВ не превышает нескольких размеров длин волн.

В еще одной частной форме выполнения упомянутая металлическая подложка выполнена в форме металлической трубки.

Устройство может обладать всеми или только некоторыми из признаков вышеописанных частных форм выполнения, при условии что такие признаки совместимы друг с другом.

Согласно еще одному изобретению поставленные задачи решены благодаря применению вышеописанного устройства для исследования влияния пленок молекулярных органических веществ или микрообъектов, включая клетки живых организмов, на распространение поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) вдоль гладкой искривленной металлической подложки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

На фигуре 1 изображена принципиальная схема одной из частных форм выполнения устройства.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления вышеописанного изобретения устройство состоит из лазера, работающего в непрерывном режиме, например, с длиной волны излучения λ=1,064 мкм, лезвия 1, служащего дифракционным преобразователем объемной электромагнитной волны в поверхностную электромагнитную волну, образца, состоящего из полированной металлической подложки 3 с диэлектрическими или полупроводниковыми пленками 4 и 5, лезвия 2, служащего дифракционным преобразователем поверхностной электромагнитной волны в объемную электромагнитную волну, и приемника излучения 6.

Устройство работает следующим образом: объемная электромагнитная волна (ОЭВ) источника лазерного излучения в результате дифракции на щели между лезвием 1 и поверхностью образца преобразуется в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), которая распространяется вдоль исследуемой поверхности образца 5 (или 4) до лезвия 2. В результате дифракции на щели между лезвием 2 и поверхностью образца поверхностная электромагнитная волна (ПЭВ) преобразуется в объемную электромагнитную волну (ОЭВ), которая регистрируется приемником излучения 6.

При распространении вдоль поверхности образца между лезвиями 1 и 2 поверхностная электромагнитная волна (ПЭВ) затухает. Величину затухания определяют, плавно отодвигая лезвие 2 относительно лезвия 1 и записывая интенсивность сигнала с приемника излучения как функцию расстояния между лезвиями 1 и 2.

Величина затухания зависит от оптических постоянных металлической поверхности, от оптических постоянных пленок и от их толщины.

Коэффициент затухания измеряют дважды: сначала по участку поверхности с пленкой 4 и получают значение α_a, а затем на участке поверхности с пленкой 5 и получают значение α_b.

Эти значения коэффициентов затухания используют для расчета оптических постоянных металла - действительной и мнимой части комплексного показателя преломления металла или связанных с ними (в приближении теории Друде-Зинера) плазменной частотой ν_p и частотой столкновения электронов ν_τ. Для расчета помимо α_a и α_b необходимо знать величину диэлектрической проницаемости ε пленки и толщины пленок d_a и d_b. Толщину пленок можно измерить, например, методом Физо, а оптические постоянные пленок можно определить на спектрофотометре по методу осциллирующей спектрограммы. Если оптические постоянные металла известны, то по теории Друде-Зинера можно определить ε пленки.

При настройке устройства выбирают оптимальный зазор между кромкой лезвия бритвы и поверхностью. Для этого с помощью микрометрического винта приближают лезвия к поверхности или отодвигают от нее до тех пор, пока сигнал на приемнике излучения не достигнет максимума.

В качестве пленочного материала помимо диэлектрических и полупроводниковых материалов могут быть использованы любые биологические материалы, которым можно придать форму пленки.

Именно поэтому устройство может быть полезным дополнением к развивающейся в настоящее время технике Фурье-спектроскопии, применяемой для исследования оптических свойств молекул ДНК и клеток (см. статью Woolard D.L., Globus T.R., Gelmont B.L., Bykhovskaia M., Samuels A.C., Cookmeyer D., Hesler J.L., Crowe T.W., Jensen J.L. и Loerop W.R. Phys. Rev. E, 2002, 65:051903).

1. Устройство для исследования распространения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) вдоль образца, содержащего гладкую искривленную металлическую подложку, включающее в себя источник и приемник объемной электромагнитной волны (ОЭВ), а также преобразователи ОЭВ в ПЭВ и ПЭВ в ОЭВ, представляющие собой металлические лезвия, имеющие кромки, выполненные конгруэнтными поверхности образца, которые (лезвия) установлены с возможностью регулирования ширины щели между их (лезвий) кромками и поверхностью упомянутого образца.

2. Устройство по п.1, в котором источник ОЭВ представляет собой терагерцевый лазер.

3. Устройство по п.1, в котором упомянутая подложка выполнена из благородного металла, предпочтительно из золота или платины.

4. Устройство по п.1, в котором упомянутые лезвия установлены таким образом, что при регулировании ширина щели остается постоянной по всей ее длине.

5. Устройство по п.1, дополнительно содержащее пьезоэлектрический привод для точного позиционирования упомянутых лезвий.

6. Устройство по п.1, дополнительно содержащее термостат для точного регулирования ширины щелей между кромками упомянутых лезвий и поверхностью образца.

7. Устройство по п.1, в котором упомянутые лезвия выполнены таким образом, что расстояние между их кромкой и поверхностью подложки по всей длине участка преобразования ОЭВ и ПЭВ не превышает нескольких размеров длин волн.

8. Устройство по п.1, в котором упомянутая металлическая подложка выполнена в форме металлической трубки.

9. Применение устройства по любому из пп.1-8 для исследования влияния пленок молекулярных органических веществ или микрообъектов, включая клетки живых организмов, на распространение поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) вдоль гладкой искривленной металлической подложки.