Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона. Способ включает в себя генерацию волны на плоской поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений. Регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца. Зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения. При проведении измерений плавно увеличивают от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется. Величину показателя рассчитывают по формуле: Технический результат заключается в уменьшении продолжительности и трудоемкости измерений. 3 ил.

 

Изобретение относится к оптике конденсированных сред и может быть использовано для определения оптических постоянных твердых тел, способных направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) инфракрасного (ИК) диапазона, а также - для исследования переходного слоя на поверхности таких тел и в оптических сенсорных устройствах (Welford K. Surface plasmon-polaritons and their use // Optical and Quantum Electronics, 1991, v. 23, p. 1-27) [1].

Известен способ определения показателя преломления ПЭВ ИК области спектра, включающий формирование интерферограммы в результате сложения двух производных ПЭВ, полученных путем разделения исходной и прошедших по образцу различные расстояния, регистрацию интерферограммы в плоскости поверхности образца, расчет показателя преломления по результатам измерения периода интерферограммы (Патент РФ на изобретение №2372591) [2].

Основной недостаток способа - низкая точность определения показателя преломления, что обусловлено сравнимостью периода интерферограммы с размером чувствительного элемента (пикселя) линейки фотоприемников, регистрирующей интерференционную картину.

Известен способ определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающий формирование и анализ интерферограммы, получаемой в результате сложения объемной волны, являющейся частью пучка излучения, генерирующего ПЭВ, и поля исследуемой ПЭВ при перемещении в плоскости падения вдоль трека ПЭВ прилегающей к образцу линейки фотоприемников, а также - расчет искомого показателя по результатам измерений (Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.K. Terahertz dispersive spectros-copy for thin-film study via surface-plasmon - bulk wave interference // Вестник НГУ (Физика), 2010, т. 5, №4, c. 158-161) [3].

Основной недостаток способа - низкая точность определения показателя преломления, вследствие наличия сильной засветки линейки приемников паразитными объемными волнами, исходящими от элемента преобразования излучения источника в ПЭВ и от неоднородностей поверхности на треке ПЭВ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающий генерацию волны на поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого фиксирована и наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию интерферограммы, получаемой при перемещении зеркала вдоль трека ПЭВ в результате сложения объемных волн, одна из которых является частью пучка излучения, генерирующего ПЭВ, а вторая порождена ПЭВ в результате ее взаимодействия с зеркалом, и - расчет искомого показателя преломления по результатам измерений (Патент РФ на изобретение №2470257). [4].

Основной недостаток способа - большая продолжительность измерений, что обусловлено необходимостью перемещения зеркала над образцом на макроскопическое расстояние (сантиметры) на котором ПЭВ приобретает набег фазы порядка 2π, а также - большая трудоемкость измерений, обусловленная необходимостью их выполнения во множестве точек трека.

Задача изобретения состоит в создании нового способа определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона (являющегося вещественной частью комплексного показателя преломления ПЭВ), техническим результатом которого является уменьшение продолжительности и трудоемкости измерений.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном способе определения показателя преломления ПЭВ ИК-диапазона, включающем генерацию волны на поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений, согласно изобретению, регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца, зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения, и, плавно увеличивая от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется, а величину искомого показателя κ' рассчитывают по формуле: .

Уменьшение продолжительности измерений и снижение их трудоемкости в предлагаемом способе достигается в результате отказа от амплитудно-фазовых измерений и выполнении вместо них измерения угла наклона зеркала, при котором интенсивность отраженной зеркалом ПЭВ становится равной нулю (обнуляется).

Покажем, каким образом можно определить показатель преломления ПЭВ ИК-диапазона, не прибегая к трудоемким интерферометрическим измерениям (как это необходимо делать в способе-прототипе).

Известно, что вещественная часть k' волнового числа ПЭВ k больше волнового числа ko=2π/λ плоской волны в воздухе (где λ - длина этой волны), что обуславливает неизлучающий характер ПЭВ [1]. Отношение k/kо=κ называют комплексным показателем преломления ПЭВ, а его вещественную часть Re(κ)=κ' - просто, показателем преломления ПЭВ, так как частное от деления скорости света на κ' равно фазовой скорости ПЭВ. При размещении в поле ПЭВ какого-либо предмета (края экрана, дифракционной решетки на поверхности образца, ребра прозрачной призмы и т.п.), волновой вектор ПЭВ , в результате дифракции волны на этом предмете, получает отрицательное приращение . Если выполняется условие:

где Δk - модуль приращения , то ПЭВ преобразуется в плоскую волну, распространяющуюся в окружающей среде (обычно, воздухе) под некоторым углом к поверхности образца. Если таким предметом является плоское зеркало, отражающая грань которого примыкает к поверхности образца, перпендикулярна треку ПЭВ и отклонена (в сторону направления распространения ПЭВ) от нормали к поверхности на угол α, а величина Δk удовлетворяет равенству (1), то ПЭВ трансформируется в плоскую волну, распространяющуюся под углом 2α к поверхности в направлении, противоположном ходу ПЭВ (Рис. 1, где: 1 - образец; 2 - зеркало).

Однако, если условие (1) не выполнено, то ПЭВ сохраняет свою природу и, после взаимодействия с зеркалом, распространяется по образцу в обратную сторону. Размещение зеркала в плоскости, не содержащей нормали к плоскости падения излучения (т.е. поворот зеркала на угол β относительно трека ПЭВ, см. Рис. 2б), приводит только к изменению направления распространения отраженной ПЭВ в соответствии законом отражения плоской волны плоским зеркалом (Bell R.J., Goben С.А., Davarpanah М, Bhasin K., Begley D.L., Bauer A.C. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves // Applied Optics, 1975, v. 14 (6), p. 1322-1325.) [5]. Поскольку проекция волнового вектора ПЭВ на направление распространения порожденной на зеркале плоской волны, при выполнении равенства (1), должна быть равна ko то, согласно Рис. 1 и с учетом факта, что [1], имеем ko/k'=cos(2α). Отсюда получим расчетную формулу:

Таким образом, плавно увеличивая угол α наклона зеркала и регистрируя его значение α*, при котором интенсивность отраженной ПЭВ становится равной нулю, а падающая на зеркало ПЭВ преобразуется в плоскую волну, можно рассчитать по формуле (2) искомое значение показателя преломления κ' монохроматической ПЭВ.

Изобретение поясняется чертежами: на Рис. 1 представлена векторная диаграмма преобразования ПЭВ в плоскую волну при взаимодействии с плоским зеркалом, отражающая грань которого перпендикулярна плоскости падения и наклонена на угол α относительно нормали к поверхности образца; на Рис. 2 (а - вид сбоку; б - вид сверху) изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ; на Рис. 3 приведена расчетная зависимость функции (κ'-1) от угла α, позволяющая определить значение показателя преломления ПЭВ κ' по измеренному значению α*.

Заявляемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на Рис. 2, где цифрами обозначены: 1 - образец, имеющий две способные направлять ПЭВ плоские грани, сопряженные закругленным ребром 3 с радиусом R, удовлетворяющим условию 10λ<R<L (где L - длина распространения ПЭВ); 2 - плоское зеркало, снабженное двумя осями вращения, одна из которых совпадает с ребром отражающей грани зеркала, прилегающим ко второй (по ходу пучка ПЭВ) грани образца 1, а вторая совпадает с нормалью к этой грани, восстановленной из центра пучка ПЭВ на выше упомянутом ребре зеркала; 4 - источник р-поляризованного монохроматического ИК излучения; 5 - элемент преобразования излучения источника 4 в ПЭВ; 6 - фотоприемник, размещенный на свободном ребре первой грани образца 1; 7 - измерительный прибор, подключенный к фотоприемнику 6.

Устройство работает, и способ осуществляется, следующим образом. Излучение источника 4, коллимированное в плоскости перпендикулярной плоскости падения, направляют на элемент 5, преобразующий объемную волну в параллельный пучок лучей ПЭВ на первой грани образца 1. Пройдя эту грань (содержащую элемент 5), ПЭВ преодолевает (с небольшими дополнительными, по сравнению с плоской поверхностью, радиационными потерями) закругленное ребро 3 и переходит на вторую грань образца 1. Пройдя некоторое расстояние по второй грани, ПЭВ взаимодействует с зеркалом 2, ребро которого, прилегающее к поверхности образца 1, отклонено от нормали к треку ПЭВ на угол β, что позволяет разнести треки поверхностных волн (падающей на зеркало 2 и отраженной от него) на угол 2β. В исходном состоянии зеркало 2 ориентировано перпендикулярно к поверхности образца 1, поэтому отраженное излучение существует в форме ПЭВ, которая достигает ребра 3, переходит со второй на первую грань образца 1 и падает на входное отверстие приемника 6, порождая регистрируемый прибором 7 сигнал. Затем зеркало 2 отклоняют от нормали к поверхности второй грани образца 1, постепенно увеличивая угол α и контролируя при этом величину сигнала, регистрируемого прибором 7. При некотором значении α=α* достигается равенство (1) и падающая на зеркало ПЭВ преобразуется в плоскую волну, уходящую в окружающую среду под углом 2α*, что сопровождается обнулением интенсивности отраженной ПЭВ и сигнала на приборе 7. Искомое значение показателя преломления κ' либо рассчитывают по формуле (2), подставляя в нее измеренное значение угла α*, либо определяют его по предварительно построенному графику зависимости (κ'-1) от α, рассчитанному по формуле (2) и представленному на Рис. 3. Наличие у образца 1 двух сопряженных скругленным ребром 3 плоских граней объясняется необходимостью экранирования приемника 6 от паразитных засветок его объемными волнами, порождаемыми при дифракции излучения источника 1 на элементе 5.

В качестве примера применения заявляемого способа, рассмотрим возможность определения показателя преломления ПЭВ, генерируемой излучением с λ=50 мкм на размещенной в вакууме плоской поверхности. Пусть зеркало 2, отражающее ПЭВ, установлено на гониометре, имеющем инструментальную погрешность равную 10ʺ, что соответствует 5×10-5 радиан, а измеренное значение угла α*=1°30'00ʺ; тогда искомое значение κ', согласно графику на Рис. 3, равно 1.00137±5×10-5. При этом, для определения значения α* исследователю потребуется контролировать наличие сигнала с прибора 7, изменяя угол наклона α зеркала 2 не более 540 раз (частное от деления значения угла α* на погрешность гониометра, равную 10ʺ). Определение же величины κ' способом, взятом в качестве прототипа, при соблюдении прочих равных условий измерений потребует значительно больше времени и усилий, поскольку этот способ-прототип предусматривает, во-первых, два этапа измерений (вначале амплитудных, затем фазовых), и, во-вторых, - для его реализации, при одной и той же точности определения κ', необходимо будет оценить результат интерференции опорного и реперного пучков в 5000 положениях наклонного зеркала, перемещаемого вдоль трека ПЭВ с шагом 10 мкм на расстояние 50 мм, соответствующее изменению разности фаз пучков на 2π.

Таким образом, замена двухэтапной методики амплитудно-фазовых измерений на определение угла наклона зеркала, при котором интенсивность отраженной им ПЭВ обнуляется, позволяет значительно упростить процедуру измерений, уменьшить ее продолжительность и трудоемкость без понижения точности определения показателя преломления ПЭВ.

Источники информации

1. Welford K. Surface plasmon-polaritons and their use // Optical and Quantum Electronics, 1991, v. 23, p. 1-27.

2. Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин A.K., Хитров О.В. Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасной области спектра // Патент РФ на изобретение №2372591. - Бюл. №31 от 10.11.2009 г.

3. Gerasimov V.V., Knyazev В.A., Nikitin А.K. Terahertz dispersive spectros-copy for thin-film study via surface-plasmon - bulk wave interference // Вестник НГУ (Физика), 2010, т. 5, №4, c. 158-161.

4. Никитин A.K., Кирьянов А.П., Жижин Г.Н., Чудинова Г.К. Способ определения толщины однородного нанослоя в инфракрасном излучении // Патент РФ на изобретение №2470257. Бюл. №35 от 20.12.2012 г. (прототип)

5. Bell R.J., Goben С.А., Davarpanah М., Bhasin K., Begley D.L., Bauer A.C. Two-dimensional optics with surface electromagnetic waves // Applied Optics, 1975, v. 14 (6), p. 1322-1325.

Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона, включающий генерацию волны на плоской поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений, отличающийся тем, что регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца, зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения, и, плавно увеличивая от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется, а величину искомого показателя рассчитывают по формуле:



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам оптико-физических измерений, основанных на эллипсометрии, и предназначено для определения показателя преломления оптически прозрачных материалов.

Изобретение относится к области для измерения физических свойств контактных линз. В заявленном устройстве для измерения волнового фронта офтальмологического устройства и способе, реализующем заявленное устройство, производят выравнивание системы волнового фронта офтальмологической линзы, содержащей устройство для измерения физической характеристики офтальмологического устройства, выполняют оптическое измерение оптической оправки и хранение этого измерения интенсивности оптической оправки в качестве справочного файла интенсивности.

Изобретение относится к рефрактометрам. Оптическое устройство для измерения показателя преломления прозрачных твердых веществ образцов с толщиной 0,2-1 мм.

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.

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.

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.

Изобретение может быть использовано для определения показателя преломления вещества частиц, образующих упорядоченные многослойные дисперсные структуры, такие как фотонные кристаллы и коллоидные кристаллы.

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.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения диэлектрической проницаемости металла в терагерцовом диапазоне спектра. Способ включает в себя возбуждение зондирующим пучком поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на плоской поверхности металлического образца, измерение длины распространения ПЭВ и определение ее фазовой скорости, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по означенным ее характеристикам и определение диэлектрической проницаемости металла путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца. При проведении измерений на поверхность предварительно наносят однородный слой диэлектрика с известными оптическими постоянными толщиной от сотой до десятой доли длины волны излучения источника. Технический результат заключается в повышении точности измерений.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к лабораторной диагностике, и может быть использована для определения характеристики изотипического состава иммунных комплексов в образце биологической жидкости, полученном от субъекта. Для этого проводят: (а) Обеспечение исходного образца биологической жидкости от субъекта; (б) Получение для указанного образца спектра динамического светорассеяния (ДСР), который содержит пики, соответствующие частицам разного размера, которые присутствуют в указанном образце; (в) Приведение указанного образца в контакт с по меньшей мере одним веществом, которое специфически связывается с иммуноглобулинами одного или нескольких изотипов, содержащихся в образце; (г) Удаление из указанного образца комплексов, содержащих указанное вещество с получением обработанного образца; (д) Получение спектра ДСР обработанного образца, полученного на стадии (г), который содержит пики, соответствующие частицам разного размера, которые присутствуют в указанном обработанном образце; (е) Сопоставление спектра ДСР, полученного на стадии (б), со спектром, полученным на стадии (д), на основании отличий спектра указанного обработанного образца и спектра, полученного для исходного образца, определяют характеристику изотипического состава иммунных комплексов, присутствующих в указанном образце биологической жидкости. Также предложена диагностика заболевания или состояния у субъекта на основании определения характеристики изотипического состава иммунных комплексов в образце биологической жидкости, полученном от субъекта, и набор для данной диагностики. Группа изобретений обеспечивает повышение диагностической и прогностической информативности выявления значимых для медицинских целей антигенов в биологических жидкостях. 3 н. и 32 з.п. ф-лы, 5 ил., 5 табл., 6 пр.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и описывает способ контроля качества продуктов путем сравнения оптических характеристик исследуемого продукта с соответствующими оптическими характеристиками эталонных продуктов и устройство, реализующее предлагаемый способ. В качестве оптических характеристик продукта используют показатели преломления в нескольких спектральных диапазонах и координаты цветности. Заявленное изобретение предназначено для контроля качества продуктов путем сравнения оптических характеристик исследуемого продукта с соответствующими оптическими характеристиками эталонных продуктов, либо занесенными в предварительно сформированную базу данных, либо полученными для эталонного образца непосредственно перед измерениями исследуемого образца. Одновременно с измерением показателя преломления измеряют координаты цветности исследуемого продукта и найденные значения сравнивают с показателями преломления и координатами цветности эталонов, причем показатели преломления продукта и координаты цветности определяют по одним и тем же выходным сигналам многофункционального матричного фотоприемного устройства (ММФПУ). Устройство определения качества продуктов представляет собой устройство, содержащее блок источников света, в котором установлены светодиоды с различной длиной волны излучения R (красный), G (зеленый), В (синий). За светодиодами установлен светорассеиватель, призванный выровнять диаграммы направленности светодиодов и смешать их излучение в единый интегрированный многоспектральный световой поток. Диафрагма, формирующая расходящейся световой поток, расположена перед измерительной призмой, рабочая грань которой служит плоскостью раздела исследуемого продукта и призмы. При помещении продукта в кювету оптическая система формирует резкие границы тени и света на фоточувствительной поверхности ММФПУ для каждого спектрального диапазона. Далее полученные RGB электрические сигналы подаются на вычислительное устройство, в котором формируются показатели преломления и координаты цветности исследуемого продукта. Полученные значения сравнивают со значениями образца, выбранного за эталон, и по величине отклонений полученных значений определяют качество исследуемого продукта. Технический результат – повышение точности, ускорение и автоматизация процесса измерения и упрощение конструкции. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона. Способ включает в себя генерацию волны на плоской поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений. Регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца. Зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения. При проведении измерений плавно увеличивают от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется. Величину показателя рассчитывают по формуле: Технический результат заключается в уменьшении продолжительности и трудоемкости измерений. 3 ил.

Наверх