Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду



Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду
Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду

 


Владельцы патента RU 2491533:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) (RU)

Изобретение относится к оптическим методам контроля поверхности металлов и полупроводников в терагерцовом диапазоне спектра и может найти применение в технологических процессах для контроля толщины и однородности тонкослойных покрытий металлизированных изделий и полупроводниковых подложек, в методах по обнаружению неоднородностей (на) проводящей поверхности, в инфракрасной (ИК) рефрактометрии металлов для определения их диэлектрической проницаемости, в ИК сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике. Способ включает измерение интенсивности поля поверхностных плазмонов (ПН) в плоскости падения излучения, генерирующего пучок лучей ПП, и расчет значения 5 по результатам измерений, для чего ПП преобразуют в объемную волну на линии фронта, принадлежащей выбранной плоскости поперечного сечения пучка, фокусируют волну в линию, лежащую в плоскости падения, и измеряют распределение интенсивности излучения на этой линии и угол наклона лучей волны к поверхности, направляющей ПП. Изобретение позволяет уменьшить время измерений. 2 ил.

 

Изобретение относится к оптическим методам контроля поверхности металлов и полупроводников в терагерцовом (ТГц) диапазоне спектра и может найти применение в технологических процессах для контроля толщины и однородности тонкослойных покрытий металлизированных изделий и полупроводниковых подложек, в методах по обнаружению неоднородностей (на) проводящей поверхности, в инфракрасной (ИК) рефрактометрии металлов для определения их диэлектрической проницаемости, в ИК сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике.

Поверхностные плазмоны (ПП) - представляют собой разновидность поверхностных электромагнитных волн, направляемых проводящей поверхностью, и широко используются для ее контроля и спектроскопии [Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.]. Одной из важнейших характеристик ПП, зависящих от оптических свойств поверхности и ее покрытия, является глубина проникновения поля ПП в окружающую среду (в частности, воздух или вакуум) δ = [ R e ( k ) ] 1 - расстояние, на котором интенсивность поля уменьшается в e≈2,718 раз; здесь k = k 0 k 2 ε - нормальная (относительно поверхности) компонента волнового числа ПП, ko=2π/λ, k - комплексный показатель преломления ПП, ε - диэлектрическая проницаемость окружающей среды, λ - длина волны излучения, генерирующего ПП. Измеряя δ, можно не только обнаруживать (по вариациям δ вдоль трека ПП) неоднородности на поверхности, но и определять диэлектрическую проницаемость материала проводящего образца или толщину и показатель преломления переходного слоя поверхности [Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v.98, 171912].

Известен способ определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, включающий измерение интенсивности поля вдоль нормали к треку ПП в плоскости падения излучения, генерирующего ПП, внесение в поле ПП острия оптоволоконного зонда, соединенного с фото детектором, подключенным к гальванометру, измерение зависимости интенсивности светового сигнала, поступающего на фотодетектор, от расстояния, отделяющего острие от поверхности, направляющей ПП, и расчет значения δ по результатам измерений [Mueckstein R., Mitrofanov О. Imaging of terahertz surface plasmon waves excited on a gold surface by a focused beam // Optics Express, 2011, v.19, No.4, p.3212-3217]. Основными недостатками способа являются возмущение зондом поля ПП, что искажает результаты измерений, и большая продолжительность процедуры зондирования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, включающий измерение интенсивности поля вдоль нормали к треку ПП в плоскости падения излучения, генерирующего ПП, внесение в поле подключенного к гальванометру фотоприемника, снабженного щелевой диафрагмой, ориентированной параллельно направляющей ПП поверхности и перпендикулярно треку, измерение на торце образца зависимости интенсивности поля от расстояния, отделяющего щель от поверхности, и расчет значения δ по результатам измерений [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.К., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v.98, 171912].

Основными недостатками способа являются искажение поля ПП отраженным от диафрагмы излучением, невозможность выполнения измерений в произвольной точке трека и их большая продолжительность.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является уменьшение времени измерений.

Технический результат достигается тем, что в известном способе определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, включающем измерение интенсивности поля ПП в плоскости падения излучения, генерирующего пучок лучей ПП, и расчет значения δ по результатам измерений, согласно изобретению, ПП преобразуют в объемную волну на линии фронта, принадлежащей выбранной плоскости поперечного сечения пучка, фокусируют волну в линию, лежащую в плоскости падения, и измеряют распределение интенсивности излучения на этой линии и угол наклона лучей волны к поверхности, направляющей ПП.

Уменьшение времени измерений достигается в результате одновременного измерения линейкой фотодетекторов интенсивности поля ПП в ряде точек окружающей среды над контролируемой точкой трека.

Изобретение поясняется чертежами: на рис. 1 - схема устройства, реализующего способ; на рис. 2 - зависимость интенсивности поля ПП в рассматриваемом примере от расстояния, отделяющего данную точку поля от поверхности образца.

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на рис.1, где цифрами обозначены: 1 - источник монохроматического излучения; 2 - поляризатор; 3 - плоское зеркало; 4 - вогнутое зеркало с цилиндрической отражающей поверхностью; 5 - проводящий образец, 6 - призма с металлизированным плоским основанием, ориентированным параллельно поверхности образца 5; 7 - поглощающий плоский экран, ориентированный перпендикулярно плоскости падения излучения и край которого удален от образца 5 на расстояние в несколько миллиметров; 8 - наклонное подвижное плоское зеркало, преобразующее ПП в объемную волну; 9 - линза с цилиндрической фокусирующей поверхностью, 10 - линейка фото детекторов, размещенная в плоскости падения и находящаяся в фокусе линзы 9; 11 - набор гальванометров, раздельно подключенных к детекторам линейки 10; 12 - устройство обработки информации; 13 - подвижная платформа с установленными на ней элементами 8, 9 и 10.

Способ осуществляется следующим образом.

Излучение источника 1 направляют на поляризатор 2, выделяющий из электромагнитной волны p-составляющую. С помощью зеркал 3 и 4 поляризованное излучение направляют в зазор между проводящей поверхностью образца 5 и металлизированным основанием призмы 6. В зазоре излучение преобразуется в ТМ-моды полого металлического волновода, образованного основанием призмы 6 и поверхностью образца 5. Дифрагируя на крае призмы 6, моды с некоторой эффективностью преобразуются в ПП и порождают веер паразитных объемных волн, поглощаемых экраном 7 [Gong M., Jeon T.-L, Grischkowsky D. THz surface wave collapse on coated metal surfaces // Optics Express, 2009, v.1 7(19), 17088]. Пучок ПП проходит под экраном 8 и распространяется в плоскости падения по поверхности образца 5. Дойдя до передней кромки зеркала 8, перпендикулярной волновому фронту пучка, ПП преобразуются в объемную волну (OB). Преобразование ПП в объемное излучение происходит в результате сообщения ПП зеркалом встречного (по отношению к направлению распространения ПП) отрицательного импульса. Что обеспечивает выполнение неравенства kПП<ko (где kПП и ko - модули волновых векторов ПП и плоской волны в окружающей среде, соответственно), необходимого для трансформации ПП в объемную волну [Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - M.: Наука, 1985. - 525 с.]. Отметим, что распределение интенсивности в ОВ, распространяющейся параллельно поверхности образца 5, идентично распределению интенсивности поля ПП на кромке зеркала 8. Эта OB, направляется зеркалом 8 через линзу 9 на линейку 10. Электрические сигналы с выходов детекторов линейки 10 измеряются соответствующими гальванометрами набора 11 и поступают на устройство 12, которое нормирует их на максимальный сигнал и, с учетом угла наклона лучей ОВ к поверхности образца 5, вычисляет искомое значение глубины проникновения поля ПП в окружающую среду δ. Перемещая платформу 13 вдоль направления трека ТГц ПП аналогичным образом можно определить величину δ в любой точке трека (в случае наличия на поверхности образца 5 неоднородности, значение δ может соответствующим образом изменяться).

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения величины δ для ТГц ПП, генерируемых излучением лазера на свободных электронах с длиной волны λ=130 мкм [Knyazev В.A., Kulipanov G.N., Vinokurov N.A.. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. & Techn., 2010, v.21, 054017] на плоской поверхности размещенного в воздухе золотого образца длиной 20 см. В этом случае комплексный показатель преломления ПП, рассчитанный с использованием дисперсионного уравнения ПП для двухслойной структуры и модели Друде для диэлектрической проницаемости золота [Ordal М.А., Bell R.J., Alexander R.W., Long L.L., and Querry M.R. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Applied Optics, 1985, v. 24, No.24, p. 4493-4499], равен κ=1,000273+i·5,6·10-7, что соответствует длине распространения ПП, равной 180 см. Угол наклона зеркала 8 к поверхности образца 5, положим равным 45°, что обеспечивает распространение OB, порожденной ПП на передней кромке зеркала 8, перпендикулярно к треку ПП. В качестве фотоприемного устройства выберем болометрическую матрицу, состоящую из 320×240 пикселей, размером 51×51 мкм каждый [Демьяненко М.А., Есаев Д.Г., Овсюк В.Н., Фомин Б.И., Асеев А.Л., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н., Винокуров Н.А. Матричные микроболометрические приемники для ИК и ТГц диапазонов // Оптический журнал, 2009, т. 76, №12, с.5-11]. На рис. 2 приведена зависимость нормированной интенсивности поля ПП I/I0 (где I0 - интенсивность поля ПП на поверхности) в рассматриваемом примере от расстояния г, отделяющего данную точку поля от поверхности образца, с учетом искажения распределения I/I0(z) вследствие наклона зеркала 8 на 45°. Из этой зависимости следует, что величина δ в рассматриваемом примере равна 15,3 мм. Поле ПП может быть полностью (в пределах величины δ) практически мгновенно зарегистрировано столбцом матрицы, при условии размещения ее стороной в 320 пикселей параллельно плоскости падения, а значение δ - количественно оценено устройством обработки информации с точностью до 0,3% (отношение размера пикселя к δ).

Таким образом, приведенный пример наглядно демонстрирует возможность практически мгновенного определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, что и обеспечивает достижение поставленной в изобретении цели - сокращение времени измерений величины δ.

Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду, включающий измерение интенсивности поля поверхностных плазмонов в плоскости падения излучения, генерирующего пучок лучей поверхностных плазмонов, и расчет значения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду по результатам измерений, отличающийся тем, что поверхностные плазмоны преобразуют в объемную волну на линии фронта, принадлежащей выбранной плоскости поперечного сечения пучка, фокусируют волну в линию, лежащую в плоскости падения, и измеряют распределение интенсивности излучения на этой линии и угол наклона лучей волны к поверхности, направляющей поверхностные плазмоны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к микроэлектронному сенсорному устройству и способу для обнаружения целевых компонентов, например, биологических молекул, содержащих частицы-метки.

Изобретение относится к области технической физики, в частности к фотометрии и спектрофотометрии, и может быть использовано для измерения абсолютных значений коэффициентов отражения зеркал, особенно зеркал, обладающих высоким коэффициентом отражения.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к фотометрии и спектрофотометрии и предназначено для измерения абсолютного значения коэффициента отражения зеркал со сферической или параболической формой поверхности.

Изобретение относится к способу и устройству для исследования материала образца с помощью матрицы световых пятен (501) подсветки образца, создаваемых затухающими волнами.

Изобретение относится к способам определения физических условий, при которых в металлах и сплавах происходят фазовые превращения. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного обнаружения разливов нефти и нефтепродуктов в морях и внутренних водоемах.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к космической технике. .

Изобретение относится к области измерений неоднородностей поверхностей гетероструктур

Изобретение относится к системе биодатчика на основе нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО)

Изобретение относится к оптическому устройству для обеспечения нераспространяющегося излучения, в ответ на падающее излучение, в объеме регистрации, который содержит целевой компонент в среде, причем, по меньшей мере, один плоскостной размер (W1) объема регистрации меньше дифракционного предела. Дифракционный предел определяется длиной волны излучения и средой. Нераспространяющееся излучение обеспечивается структурами, образующими отверстие, причем наименьший плоскостной размер отверстия W1 меньше дифракционного предела. Объем регистрации обеспечен между структурами, образующими отверстие. Структуры, образующие отверстие, дополнительно определяют наибольший плоскостной размер отверстия W2; причем наибольший плоскостной размер отверстия больше дифракционного предела. Источник предусмотрен для излучения пучка излучения, имеющего длину волны, падающий на оптическое устройство, направление падения которого не параллельно внеплоскостному нормальному направлению, для обеспечения нераспространяющегося излучения в объеме регистрации, в ответ на излучение, падающее на оптическое устройство. Плоскость падения параллельна наибольшему плоскостному размеру отверстия. Изобретение обеспечивает увеличение эффективности возбуждения без необходимости использовать более высокие интенсивности для регистрации целевых компонентов. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

Способ включает освещение образца, регистрацию отраженного излучения, усреднение измерений по различным точкам образца. Выбирают углы освещения образца исходя из углов наблюдения βi=αi/2, где αi - угол наблюдения i-го фотоприемника, включая αi=0. Первое измерение производят при α=0 и β=0, оценивают полуширину w индикатрисы рассеяния I(α) при β=0 по уровню 0,1 от максимального значения. Изменяют угол освещения βi на βi+1 и повторяют регистрацию усредненных значений, пока в диапазоне от α=0 до α=2βw распределение I(α) не станет двумодальным с локальным минимумом с величиной менее 15-20% от величины 0,5·(I(α=0, β=0)+I(2βw)). Определяют вид индикатрисы рассеяния относительно направления зеркального отражения I(α-2β) и аппроксимируют ее функцией fA(x), где х=α-2β. Определяют величины интенсивности в направлении зеркального отражения Im(β) и аппроксимируют эту функцию в диапазоне от β>w/2 (или 15°) до 45° функцией IA(β). Производят экстраполяцию IA(β) в область β<w/2 и определяют величину IA(β=0). Определяют световозвращенную и диффузную составляющие как разность Ii=I(α=0, β=0)-IA(β=0); для ненулевого (стандартного) угла βs вычисляют как Ii=I(α=0, β=βS)-fA(βS)·IA(βS). Если Ii(β=0)<<IA(β=0), то исследованный образец не обладает истинным световоз-вращением. Технический результат - увеличение точности измерений, определение соотношения световозвращенной и диффузной составляющих и диаграммы направленности и минимизация времени измерений. 7 ил.

Изобретение относится к оптике и аналитической технике и может быть использовано для определения наличия следовых количеств летучих веществ, вызывающих поверхностную оптическую сенсибилизацию галоидного серебра. Способ основан на измерении параметров поверхностного плазмонного резонанса и определении по ним концентрации летучих веществ. После воздействия света на слой галоидного серебра и образования в его микрокристаллах центров скрытого изображения этот слой подвергается фотографическому проявлению. Изобретение позволяет повысить чувствительность сенсора до величин порядка 106-1010 см-3.

Изобретение предназначено для определения целевого вещества в исследуемой области. Сенсорное устройство (100) содержит сенсорную поверхность (112) с исследуемой областью (113) и контрольной областью (120), а также контрольный элемент (121), размещенный в контрольной области (120). При этом контрольный элемент (121) адаптирован для защиты контрольной области (120) от целевого вещества (2), так чтобы свет, отраженный в контрольной области (120), при условии полного внутреннего отражения оставался не подвергнутым воздействию за счет присутствия или отсутствия целевого вещества (2). Это позволяет измерять свойство, обычно интенсивность света, отраженного на контрольную область (120), независимо от присутствия или отсутствия целевого вещества (2), что может быть использовано для выполнения улучшенной коррекции света, отраженного в исследуемой области (113). 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к микроскопии и может быть использовано в биологии, медицине, машиностроении, оптическом приборостроении для исследования фазовых объектов. Технический результат - уменьшение уровня когерентных шумов, снижение требований к юстировке интерферометра, повышение стабильности результатов измерений, повышение точности измерений. Согласно способу интерференционной микроскопии исследуемый микрообъект освещают некогерентным излучением, которое используют для формирования увеличенного изображения микрообъекта в передней фокальной плоскости 4f оптической системы, делят излучение с помощью светоделителя из двух идентичных призм Дове, склеенных по основаниям призм, и направляют оба пучка на одно плоское зеркало. Пучок, который прошел через обе призмы Дове, пропускают через точечную диафрагму. После обратного прохода через светоделитель оба пучка излучения направляют на уголковый отражатель и регистрируют исходное интерференционное изображение, а затем многократно смещают светоделитель и уголковый отражатель вдоль направления, перпендикулярного основаниям призм. При этом изменяется фаза интерференционных изображений по отношению к исходному и регистрируется набор интерференционных изображений, по которому методом фазовых шагов вычисляют двумерное распределение оптической разности хода излучения, прошедшего через микрообъект. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного обнаружения утечек нефтепроводов, разливов нефти и нефтепродуктов на земной поверхности. Задачей изобретения является создание способа определения загрязнений нефтепродуктами земной поверхности. Дистанционный способ обнаружения нефтяных загрязнений на земной поверхности включает облучение земной поверхности в ультрафиолетовом диапазоне на длине волны возбуждения и прием флуоресцентного излучения. В отличие от известных методов для зондирования земной поверхности регистрируют нормированную интенсивность флуоресцентного излучения I(λ1), I(λ2), I(λ3) трех узких спектральных диапазонах с центрами на длинах волн λ1, λ2, λ3, выбранных по данным экспериментальных измерений из условия максимальной вероятности правильного обнаружения нефтяных загрязнений. О наличии нефтяного загрязнения судят по выполнению пороговых соотношений: Технический результат - создание способа определения загрязнений нефтепродуктами земной поверхности. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении альбедо земной поверхности. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого осуществляют развороты солнечной батареи (СБ) космического аппарата (КА), движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, выполняемые на двух последовательных витках орбиты, измерение значений тока от СБ и определение по ним значения альбедо земной поверхности. Дополнительно измеряют высоту орбиты КА, определяют угол Q полураствора видимого с КА диска Земли, на первом витке орбиты разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в зенит к моменту времени, когда угол между радиус-вектором КА и направлением на Солнце≤Q, и в данный момент времени измеряют значение тока от СБ I1, на следующем витке орбиты разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в надир к моменту времени, отстоящему от первого момента на время периода обращения КА, и в данный момент времени измеряют значение тока от СБ I2, определяют и фиксируют значение средней высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в упомянутые моменты времени hS с последующим определением значения альбедо земной поверхности для фиксируемого значения высоты Солнца. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при определении альбедо земной поверхности. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого осуществляют развороты солнечной батареи (СБ) космического аппарата (KA), движущегося по околокруговой орбите вокруг Земли, измерение значений тока от СБ и определение по ним значения альбедо земной поверхности. Дополнительно измеряют угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты KA β. Определяют момент времени прохождения подсолнечной точки витка орбиты tS. Разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в зенит и измеряют ток от СБ I1. Разворачивают СБ до совмещения нормали к рабочей поверхности СБ с направлением в надир и измеряют ток от СБ I2. Измерения тока от СБ выполняют в моменты времени соответственно t 1,2 = t s ∓ Δ t 2 , где Δt - длительность разворота СБ на 180° вокруг оси, параллельной плоскости СБ. Определяют и фиксируют значение высоты Солнца над плоскостью местного горизонта в упомянутые моменты измерения токов от СБ. 1 ил.
Наверх