Способ определения показателя преломления частиц, образующих многослойную упорядоченную структуру (варианты)



Способ определения показателя преломления частиц, образующих многослойную упорядоченную структуру (варианты)
Способ определения показателя преломления частиц, образующих многослойную упорядоченную структуру (варианты)

 


Владельцы патента RU 2550159:

Государственное научное учреждение "Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси" (BY)

Изобретение может быть использовано для определения показателя преломления вещества частиц, образующих упорядоченные многослойные дисперсные структуры, такие как фотонные кристаллы и коллоидные кристаллы. Способ заключается в помещении структуры в среду с известным спектром показателя преломления, нахождение длины волны λPBG, на которой имеет место минимум коэффициента когерентного пропускания минимума фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) и его значения TPBG. Определенными значениями показателя преломления частиц считаются такие значения показателя преломления частиц, при которых совпали 1) спектральные положения, 2) спектральные положения и значения экспериментальных и рассчитанных минимумов коэффициента когерентного пропускания фотонной запрещенной зоны. Изобретение обеспечивает определение показателя преломления частиц, образующих упорядоченные трехмерные дисперсные структуры. 2 н.и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к способам определения показателя преломления частиц, образующих трехмерные упорядоченные структуры, такие как фотонные кристаллы или коллоидные кристаллы.

Одной из важнейших характеристик вещества является показатель преломления n, определяющий скорость v распространения в нем электромагнитного излучения (света). Соответственно, важной является задача по его определению.

Существуют различные способы определения показателя преломления вещества.

В частности, известны рефрактометрические способы [1] измерения показателя преломления однородных твердых тел и жидкостей, основанные на законе преломления (законе Снеллиуса) света.

Существуют также интерфенционные способы [1] измерения показателя преломления. Они основаны на явлении интерфенции световых лучей, проходящих через исследуемый (с показателем преломления n1) и контрольный (с известным показателем преломления n2) образцы. При этом показатель преломления n1 исследуемого образца вычисляют исходя из числа наблюдаемых порядков интерференции.

Недостатком указанных способов является то, что они применимы к однородной изотропной среде и не могут быть использованы для определения показателя преломления частиц, образующих упорядоченную дисперсную структуру.

Известен также иммерсионный способ [2] определения показателя преломления, при котором частицы исследуемого вещества помещают в различные жидкости с известными показателями преломления. При совпадении показателей преломления исследуемого вещества с показателем преломления жидкости система становиться прозрачной. Таким образом определяют показатель преломления исследуемого вещества. В отличие от предыдущих данным способом можно определять показатель преломления частиц произвольной формы. Недостатком указанного способа является то, что для определения показателя преломления np частиц исследуемого вещества необходимо подбирать жидкости (или их смеси) с известными показателями преломления nenv. При этом если np не совпадет ни с одним из nenv, то данным способом показатель преломления исследуемого вещества не будет определен.

Изобретение направлено на решение задачи определения показателя преломления np частиц, образующих упорядоченную многослойную (трехмерную) дисперсную структуру, такую как фотонный кристалл или коллоидный кристалл, без ограничения на совпадение показателя преломления частиц с показателем преломления окружающей среды.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении заявленного способа, заключается в определении показателя преломления np частиц многослойной структуры на длине волны λPBG минимума коэффициента когерентного пропускания TPBG фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) структуры в окружающей среде с известным спектром показателя преломления nenv, при этом для определения np на других длинах волн структуру помещают в другие окружающие среды с известными спектрами показателя преломления, в результате чего изменяют λPBG, при этом в отличие от известных способов nenv не должны совпадать с np.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе определения показателя преломления частиц упорядоченной многослойной структуры, включающем измерение спектра коэффициента когерентного пропускания Tc структуры, помещенной в окружающую среду с известным спектром показателя преломления nenv, нахождение по измеренному спектру Tc длины волны λPBG, на которой имеет место минимум пропускания TPBG фотонной запрещенной зоны, осуществляют путем нахождения такого значения показателя преломления np,ret частиц, при котором спектральное положение λPBG,ret рассчитанного минимума фотонной запрещенной зоны совпадет с измеренным λPBG, либо спектральное положение λPBG,ret и значение TPBG,ret рассчитанного минимума фотонной запрещенной зоны совпадут соответственно с измеренными λPBG и TPBG, при этом для определения показателя преломления на других длинах волн структуру помещают в другие окружающие среды с известными спектрами показателя преломления nenv.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:

Фиг.1 (a) показаны спектры показателя преломления частиц оксида кремния SiO2 ( n S i O 2 , жирная линия) и частиц с показателями преломления n 1 * = n S i O 2 0 . 0 2 , n 2 * = n S i O 2 0 . 0 1 , n 3 * = n S i O 2 + 0 . 0 1 , n 4 * = n S i O 2 + 0 . 0 2 (тонкие линии).

Фиг.1(b) - спектры коэффициента когерентного пропускания Tc мультислоя частиц SiO2 (жирная линия) и мультислоя частиц с показателем преломления n 1 * = n S i O 2 0 . 0 2 , n 2 * = n S i O 2 0 . 0 1 , n 3 * = n S i O 2 + 0 . 0 1 , n 4 * = n S i O 2 + 0 . 0 2 (тонкие линии) в метаноле. Диаметр частиц D=0.2 мкм, коэффициент заполнения монослоя (отношение площади проекций всех частиц слоя к площади слоя, на которой они расположены) η=0.5, функция σ(u)=σ0u, где σ0=0.01, число монослоев Nmnl=200, расстояние между соседними монослоями (между плоскостями, проходящими через центры частиц в соседних монослоях) h=0.2 мкм.

Фиг.2(a) - спектр показателя преломления SiO2 ( n S i O 2 , по данным [3], квадраты) и определенные (найденные) значения показателя преломления np,ret частиц по данным о λPBG работы [4]. Расчеты выполнены для многослойной системы, состоящей из монослоев с треугольной решеткой из монодисперсных сферических частиц для значений λPBG, обозначенных цифрами 1, 2, …, 5: 1 - система расположена в воздухе, расстояние между соседними монослоями h=0.1715 мкм, число монослоев Nmnl=100; 2 - метаноле, h=0.1719 мкм, Nmnl=200; 3 - этаноле, h=0.1724 мкм, Nmnl=250; 4 - циклогексане, h=0.1715 мкм, Nmnl=500; 5 - толуоле, h=0.169 мкм, Nmnl=400. Диаметр частиц D=0.2 мкм, коэффициент заполнения монослоев η=0.9, функция σ(u)=σ0u, где σ0=0.001.

Фиг.2(b) - относительная погрешность восстановления (по данным фиг.2a).

Известно, что спектр коэффициента когерентного пропускания и отражения пространственно упорядоченной многослойной структуры, состоящей из монослоев частиц, имеет диапазон длин волн, в котором частично или полностью подавляется прохождение света через структуру. В этом же диапазоне имеет место резкое возрастание отражения. Этот диапазон длин волн называют фотонной запрещенной зоной (ФЗЗ). Эффект ФЗЗ обусловлен периодичностью структуры в направлении падающей волны.

Известно, что спектральное положение λPBG и значение TPBG минимума ФЗЗ зависят от относительного показателя преломления частиц структуры (см. Фиг.1). Изменяя показатель преломления окружающей структуру среды, можно изменять относительный показатель преломления частиц и, тем самым, λPBG и TPBG минимума ФЗЗ и таким образом находить показатель преломления частиц на разных длинах волн путем сравнения рассчитанных и измеренных значений λPBG и TPBG.

Определение показателя преломления np частиц состоит в следующем. Измеряют спектр коэффициента когерентного пропускания упорядоченной - многослойной системы монослоев частиц в окружающей среде с известным спектром показателя преломления nenv и находят спектральное положение (то есть длину волны) λPBG минимума ФЗЗ и значение TPBG на этой длине волны коэффициента когерентного пропускания. После этого рассчитывают ряд значений коэффициента когерентного пропускания Tc на длине волны λPBG для диапазона возможных (предполагаемых) np и находят такое значение показателя преломления np,ret частиц, при котором рассчитанное значение минимума Tc будет наиболее близко к TPBG. Полученное значение np,ret считают определенным (найденным) показателем преломления частиц на длине волны λPBG.

Способ позволяет определять показатель преломления частиц np и в случае, когда известно только спектральное положение λPBG минимума ФЗЗ, например при отсутствии данных о значении TPBG или невозможности его точного измерения. При этом рассчитывают ряд значений коэффициента когерентного пропускания Tc на длине волны λPBG для диапазона возможных (предполагаемых) np и находят такое значение показателя преломления np,ret частиц, при котором имеет место минимальное значение минимума Тс. Полученное значение np,ret считают определенным (найденным) показателем преломления частиц на длине волны λPBG.

Для нахождения именно минимума, а не просто наименьшего значения на спектре Tc системы, рассчитывают значения ее коэффициента когерентного пропускания на двух соседних, достаточно близких к λPBG длинах волн: λPBG±Δλ, при этом значения Tc на этих длинах волн должны быть больше, чем на длине волны λPBG. Также предполагают, что показатель преломления частиц на длинах волн λPBG±Δλ совпадает с их показателем преломления на λPBG. Для определения показателя преломления частиц на других длинах волн систему помещают в другие окружающие среды, измеряют новые спектры и производят расчеты для новых λPBG и TPBG.

Описанный выше способ определения показателя преломления частиц может быть осуществлен с использованием следующего подхода.

Упорядоченная структура частиц, такая как фотонный кристалл или коллоидный кристалл, может быть представлена в виде набора плоскопараллельных пространственно упорядоченных монослоев частиц.

Существует метод расчета радиальной функции распределения пространственно упорядоченного монослоя частиц, расположенных в узлах неидеальных двумерных периодических решеток (двумерных планарных фотонных кристаллов) [5, 6], позволяющий рассчитывать в квазикристаллическом приближении (ККП) теории многократного рассеяния волн коэффициенты когерентного пропускания и отражения такого монослоя. Суть метода состоит в следующем. Центр любой частицы в монослое выбирается за начало координат. Относительно него рассчитываются радиусы координационных окружностей идеальной решетки (идеального двумерного кристалла) и число центров частиц, лежащих на каждой из них. Радиальная функция распределения частиц такого кристалла представляет собой набор бесконечно узких пиков на расстояниях, равных радиусам координационных окружностей. Реальные кристаллы имеют неидеальную решетку с "размытыми" координационными окружностями. В работах [5, 6] было показано, что выражение для расчета радиальной функции распределения g(u) реального двумерного кристалла (т.е. регулярно упакованного монослоя с неидеальной решеткой) может быть записано в виде:

g ( u ) = ρ 0 1 i N i 2 π R i 1 2 π σ ( u ) e x p ( ( u R i ) 2 2 σ 2 ( u ) ) . ( 1 )

Здесь σ(u) - функция размытия, характеризующая "размытие" (уширение) координационных окружностей фотонного кристалла в зависимости от расстояния и относительно начала координат. Целесообразно использовать линейную функцию размытия:

σ ( u ) = σ 0 ( a u + b ) . ( 2 )

В формулах (1) и (2) параметр u=R/D - безразмерное расстояние, выраженное в диаметрах D частиц (u≥1); R - расстояние в плоскости монослоя относительно начала координат, связанного с центром любой частицы; ρ0 - средняя числовая концентрация частиц в монослое; Ni - число центров частиц, находящихся на координационной окружности с радиусом Ri идеального кристалла; σ0 - безразмерная начальная дисперсия радиусов координационных окружностей, выраженная в диаметрах частиц; а и b - коэффициенты, зависящие от коэффициента заполнения слоя, типа решетки и σ0. Изменяя σ0, можно задавать степень упорядоченности моделируемого кристалла, а изменяя коэффициенты а и b - "дальность" его пространственного порядка.

Используя описанный метод, в ККП рассчитываются амплитудные коэффициенты когерентного пропускания и отражения отдельных монослоев, из которых состоит исследуемая пространственно упорядоченная многослойная система.

Расчет коэффициентов когерентного пропускания и отражения многослойной системы, состоящей из таких монослоев, осуществляется в рамках метода матрицы переноса (ММП) [7] с использованием полученных в ККП амплитудных коэффициентов когерентного пропускания и отражения монослоев.

Таким образом, описанный метод моделирования радиальной функции позволяет в рамках ККП находить характеристики пропускания и отражения отдельных монослоев, на основе которых, используя ММП для многослойной системы, решается задача определения показателя преломления частиц, образующих многослойные (трехмерные) упорядоченные дисперсные структуры.

Как видно из результатов, представленных на Фиг.1, при изменении показателя преломления частиц изменяется как положение, так и глубина ФЗЗ. Эта особенность изменения спектра пропускания многослойной системы лежит в основе заявленного способа.

Заявленный способ был проверен на экспериментальных данных работы [4], в которой приведены результаты измерения спектров многослойной структуры частиц оксида кремния SiO2 (искусственного опала) в воздухе, метаноле, этаноле, циклогексане и толуоле. На Фиг.2 показаны (a) - значения показателя преломления SiO2 ( n S i O 2 , по данным работы [3]) и значения показателя преломления частиц np,ret, определенные (найденные) описанным выше способом по данным о спектральном положении λPBG минимума ФЗЗ работы [4] и (б) - относительная погрешность определения εrel показателя преломления, рассчитываемая по формуле

ε r e l = ( n p , r e t n p ) n p × 1 0 0 % , ( 3 )

где n p = n S i O 2 .

Из приведенных на Фиг.2 результатов видно хорошее совпадение определенных (найденных) значений показателя преломления частиц со значениями показателя преломления оксида кремния (|εrel|<1.5%).

Источники информации, принятые во внимание.

1. Физическая Энциклопедия. Статья "Рефрактометр", Москва, "Большая Российская энциклопедия", с.386 (1994).

2. В.Б. Татарский. Кристаллооптика и иммерсионный метод исследования минералов, Москва, "Недра", 1965.

3. E.D. Palik, editor, Handbook of optical constants of solids (Academic, San Diego, 1985).

4. V.N. Bogomolov, S.V. Gaponenko, I.N. Germanenko, A.M. Kapitonov, E.P. Petrov, N.V. Gaponenko, A.V. Prokofiev, A.N. Ponyavina, N.I. Silvanovich, S.M. Samoilovich, "Photonic band gap phenomenon and optical properties of artificial opals", Phys. Rev. E, 55, 7619-7625, (1997).

5. Miskevich A.A., Loiko V.A., "Two-dimensional planar photonic crystals: Calculation of coherent transmittance and reflectance at normal illumination under the quasicrystalline approximation", JQSRT, 112, 1082-1089 (2011).

6. A.A. Мискевич, B.A. Лойко. "Когерентное пропускание и отражение двумерного планарного фотонного кристалла", ЖЭТФ, 140, №1(7), 5-20 (2011).

7. C.C. Katsidis, D.I. Siapkas, "General transfer-matrix method for optical multilayer systems with coherent, partially coherent, and incoherent interference." Appl. Opt. 41, 3978-3987 (2002).

1. Способ определения показателя преломления частиц, образующих упорядоченную многослойную дисперсную структуру, включающий измерение спектра коэффициента когерентного пропускания Тc(λ) структуры, помещенной в окружающую среду с известным спектром показателя преломления nenν(λ), где λ - длина волны, нахождение по измеренному спектру Тc(λ) длины волны λPBG, на которой имеет место минимум коэффициента когерентного пропускания фотонной запрещенной зоны, и определение на этой длине волны показателя преломления частиц путем нахождения такого его значения np,ret, при котором рассчитанный минимум коэффициента когерентного пропускания имеет наименьшее значение.

2. Способ определения показателя преломления частиц, образующих упорядоченную многослойную дисперсную структуру, включающий измерение спектра коэффициента когерентного пропускания Тc(λ) структуры, помещенной в окружающую среду с известным спектром показателя преломления nenν(λ), где λ - длина волны, нахождение по измеренному спектру Тc(λ) длины волны λPBG на которой имеет место минимум коэффициента когерентного пропускания фотонной запрещенной зоны, и значения TPBG коэффициента когерентного пропускания на этой длине волны и определение на λPBG показателя преломления частиц путем нахождения такого его значения np,ret, при котором на этой длине волны рассчитанное значение минимума коэффициента когерентного пропускания наиболее близко к измеренному TPBG.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что структуру помещают в разные окружающие среды, в результате чего изменяют длину волны минимума фотонной запрещенной зоны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области исследования или анализа веществ и материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности к рефрактометрическим датчикам оценки качества топлива.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к рефрактометрическим средствам измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ, порошков и т.п.

Изобретение относится к носителю (11) и устройству (100) для оптического детектирования в образце (1) в камере (2) для образца. Носитель (11) содержит оптическую структуру (50) для преломления входного светового пучка (L1) в прилегающую камеру (2) для образца, а также для сбора выходного светового пучка (L2) из светового излучения, порожденного в камере (2) для образца входным световым пучком.

Предлагаемое изобретение относится к оптическим измерениям. Способ измерения показателя преломления газовых сред основан на измерении частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум выбранной моды высокостабильного интерферометра Фабри-Перо, когда межзеркальное пространство заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для измерения показателя преломления твердых веществ. .

Изобретение относится к физике атмосферы и может быть использовано при определении структурной характеристики показателя преломления, параметра Штреля и радиуса Фрида.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для бесконтактного определения времени жизни неравновесных носителей заряда в тонких полупроводниковых пластинках.

Изобретение относится к оптике конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных твердых тел с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в жидкостной хроматографии. .

Изобретение относится к получению и исследованию метаматериалов, в частности к оптической диагностике материалов с отрицательным показателем преломления. В способе определения оптического метаматериала, включающем падение коллимированного светового пучка под углом на пластинку исследуемого материала, на обе ее поверхности наносят диэлектрические и непрозрачные для светового пучка покрытия, при этом световой пучок проходит внутрь пластинки через входное окно, соизмеримое с толщиной пластинки и выполненное по центру в одном из покрытий. По положению выходного светового пучка относительно нормали к границе раздела сред в точке падения определяют принадлежность пластинки к метаматериалу. Способ прост в экспериментальной реализации, технологичен и надежно идентифицирует метаматериал с отрицательным показателем преломления. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

Последовательный датчик волнового фронта большого диоптрийного диапазона для коррекции зрения или выполнения оценочных процедур включает в себя устройство для сдвига волнового фронта и выборки волнового фронта. Устройство выборки включает в себя систему передачи, которая представляет собой 4-F систему передачи. Особенность устройства заключается в расположении сдвигающего элемента - зеркала перед апертурой в пространстве изображения волнового фронта. Технический результат заключается в обеспечении возможности расположения устройства сдвига пучка волнового фронта так, чтобы оно осуществляло полный захват и сдвиг всего пучка для поперечного сдвига передаваемого волнового фронта. 8 н. и 44 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение используется для контроля качества многослойных сверхпроводников в процессе изготовления. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе изготовления ленточного сверхпроводника исследуемые поверхности облучают световым потоком и регистрируют параметры отраженного светового потока, по которым определяют показатели преломления слоев. Показатели преломления слоев определяют с помощью предварительно полученных тарировочных зависимостей остроты кристаллографической текстуры слоев сверхпроводника от значения показателя преломления. Полученные значения показателей преломления сравнивают с диапазонами значений показателей преломления, обеспечивающими плотность критического тока сверхпроводника не менее 1·106 А/см2. Технический результат: обеспечение возможности мобильным образом с высокой скоростью контролировать качество слоев ленточного сверхпроводника. 1 табл., 5 ил.
Наверх