Способ преобразования монохроматического инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну

Изобретение может быть использовано в ИК-спектроскопии поверхности металлов и полупроводников, в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, а также в устройствах передачи и обработки информации с помощью ИК-излучения. Способ преобразования монохроматического инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ) включает размещение образца на прозрачной твердотельной подложке, придание излучению р-поляризации относительно направляющей ПЭВ поверхности образца, освещение излучением через подложку части образца, освещаемую часть образца изготавливают плавно изменяющейся по толщине от 10 нм до 50 нм, а излучение формируют в коллимированный пучок с размером поперечного сечения меньше длины распространения ПЭВ и направляют на образец под углом φ, удовлетворяющим условию: n·sin(φ)=κ′, где n - показатель преломления подложки, κ′ - действительная часть показателя преломления ПЭВ. Изобретение обеспечивает возможность генерировать ПЭВ, не сопровождаемую набором объемных электромагнитных волн, распространяющихся над поверхностью образца в плоскости падения, что позволит создать новое поколение плазменных спектрометров ИК-диапазона с большим соотношением сигнал/шум, не прибегая к использованию специальных устройств для подавления паразитного объемного излучения или отделение его от ПЭВ. 1 ил.

 

Изобретение относится к инфракрасной (ИК) оптике, точнее к способам управления ИК-излучением, средствам коммуникации и бесконтактным исследованиям поверхности металлов и полупроводников посредством ИК-излучения. Способ предполагает взаимодействие объемного ИК-излучения с поверхностью твердого тела, способной направлять поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), и может найти применение в ИК-спектроскопии поверхности металлов и полупроводников, в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, а также в устройствах передачи и обработки информации с помощью ИК-излучения.

ПЭВ ИК-диапазона широко применяют в спектроскопии поверхности твердого тела и ее переходного слоя, а также в средствах передачи и обработки информации (Csurgay A.I., Porod W. Surface plasmon waves in nanoelectronic circuits // Intern. J. of Circuit Theory and Applications, 2004, v.32, p.339-361). В большинстве устройств, использующих ИК ПЭВ, выполняют операцию преобразования объемного излучения (генерируемого, как правило, лазерным источником) в ПЭВ. Такое преобразование обычно осуществляют путем дифракции падающего излучения либо на крае экрана, размещенного над поверхностью образца, либо на ребре призмы, либо на дифракционной решетке, сформированной на поверхности образца, либо на крае самого образца (Vaicikauskas V., Antanavicius R., Januskevicius R. Efficiency of far IR SEW excitation by aperture, prism and mesh methods // Intern. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1999, v.20, No.3, p.447-452). Дифрагирование преобразуемого излучения неизбежно сопровождается порождением веера интенсивных пучков объемного излучения, распространяющихся под различными углами к поверхности образца. Более того, зеркальное отражение освещенного участка дифракционного элемента, размещенного над поверхностью образца, является дополнительным мощным источником паразитного объемного излучения. Как дифрагировавшие, так и отраженные пучки объемного излучения распространяются в плоскости падения под скользящими относительно поверхности образца углами и создают чрезвычайно сильный паразитный световой фон на фотоприемном устройстве, понижая соотношение сигнал/шум всех измерений, связанных с регистрацией характеристик поля ПЭВ.

Метод же нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) для преобразования объемного излучения в ПЭВ в ИК-диапазоне не используют по следующим причинам: 1) метод НПВО предполагает детектирование ПЭВ в отраженном излучении. Но длина распространения ИК ПЭВ, как правило, значительно превышает диаметр пучка падающего излучения и ПЭВ не вносит заметного вклада в характеристики отраженного излучения, что делает невозможным определение показателя преломления ПЭВ в отраженном пучке; 2) наличие в поле ПЭВ призмы ПВО обуславливает дополнительное затухание ПЭВ, поэтому оптическую связь между призмой и ПЭВ обрывают, увеличивая зазор между призмой и образцом или, вообще, ограничивая размер самой призмы. Это неизбежно приводит к порождению дифракционных пучков, создающих паразитную засветку фотоприемника.

Известен способ преобразования монохроматического ИК-излучения в ПЭВ, включающий коллимирование излучения, поляризацию излучения таким образом, чтобы оно имело отличную от нуля нормальную к поверхности образца составляющую электрического поля, размещение над поверхностью призмы ПВО с основанием ориентированным параллельно поверхности образца, освещение основания призмы излучением, проходящим через нее и падающим под углом близким к критическому таким образом, чтобы пучок излучения освещал ребро призмы, образованное пересечением основания призмы и ее задней (по ходу излучения) грани, перпендикулярной к плоскости падения (Shoenwald J., Burstein E., Elson J.M. Propagation of surface polaritons over macroscopic distances at optical frequencies // Solid State Communications, 1973, v.l2, p.125-129). В результате дифракции излучения на ребре призмы формируется набор объемных волн с различными значениями тангенциальной составляющей k_x, волнового вектора. Одна из этих волн будет иметь k_x, равную волновому вектору ПЭВ на границе «образец - окружающая среда», и именно эта волна преобразуется в ПЭВ. Основные недостатки известного способа: низкая эффективность преобразования (<1%), порождение веера паразитных объемных волн в результате дифракции падающего излучения на ребре призмы.

Известен способ преобразования монохроматического инфракрасного излучения с длиной волны λ в ПЭВ, включающий поляризацию излучения таким образом, чтобы оно имело отличную от нуля нормальную к поверхности образца составляющую электрического поля, размещение перпендикулярно плоскости падения твердотельного экрана на расстоянии около 10λ от образца и фокусирование излучения на край экрана (Zhizhin G.N., Alieva E.V., Kuzik L.A. et al. Free electron laser for infrared SEW characterization of conducting and dielectric solids and nm-films on them // Applied Physics, 1998, V.A67, p.1-7). В результате дифракции излучения на крае экрана, формируется набор объемных волн с различными значениями тангенциальной составляющей k_x волнового вектора. Одна из этих волн будет иметь k_x, равную волновому вектору ПЭВ на границе «образец - окружающая среда», и именно эта волна преобразуется в ПЭВ. Основные недостатки известного способа: низкая эффективность преобразования (<1%), порождение веера паразитных объемных волн в результате дифракции падающего излучения на крае экрана.

Известен способ преобразования монохроматического инфракрасного излучения с длиной волны λ в ПЭВ, включающий поляризацию излучения таким образом, чтобы оно имело отличную от нуля нормальную к поверхности образца составляющую электрического поля, формирование на поверхности дифракционной решетки с периодом Λ и освещение решетки сфокусированным излучением (O'Hara J.F., Averitt R.D., Taylor A.J. Terahertz surface plasmon polariton coupling on metallic gratings // Optics Express, 2005, v.13, p.6117-6122). При взаимодействии излучения с решеткой оно получает со стороны решетки добавку к своему волновому вектору. Лучи, удовлетворяющие равенству: κ'=n_cp·(φ)+λ/Λ (где κ' - действительная часть показателя преломления ПЭВ, n_cp - показатель преломления окружающей среды, φ - угол падения лучей), трансформируются с некоторой эффективностью в ПЭВ. Основной недостаток этого способа - порождение веера паразитных объемных волн в результате дифракции падающего излучения на решетке.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ преобразования монохроматического инфракрасного излучения в ПЭВ, включающий придание излучению p-поляризации относительно направляющей ПЭВ поверхности образца, размещение образца на прозрачной подложке и освещение через подложку края образца сфокусированным излучением (Петров Ю.Е., Алиева Е.В., Жижин Г.Н., Яковлев В.А. Фазовые измерения ПЭВ на серебре при возбуждении сквозь подложку // ЖТФ, 1998, т.68, №3, с.64-68). В результате дифракции излучения на крае образца формируется набор объемных волн с различными значениями тангенциальной составляющей k_x волнового вектора. Одна из этих волн будет иметь k_x, равную волновому вектору ПЭВ на границе «образец - окружающая среда», и именно эта волна преобразуется в ПЭВ. Основной недостаток способа - порождение веера паразитных объемных волн в результате дифракции падающего излучения на крае образца.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании возможности генерировать ПЭВ, не сопровождаемую набором объемных электромагнитных волн, распространяющихся над поверхностью образца в плоскости падения, что позволит создать новое поколение плазменных спектрометров ИК-диапазона с большим соотношением сигнал/шум, не прибегая к использованию специальных устройств для подавления паразитного объемного излучения или отделение его от ПЭВ (Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин П.А. Способ разделения совмещенных поверхностной и объемной электромагнитных волн терагерцового диапазона // Патент РФ на изобретение №2352969. - Бюл. №11 от 20.04.2009 г.).

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе преобразования монохроматического инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), включающем размещение образца на прозрачной твердотельной подложке, придание излучению p-поляризации относительно направляющей ПЭВ поверхности образца, освещение излучением через подложку части образца, освещаемую часть образца изготавливают плавно изменяющейся по толщине от 10 нм до 50 нм, а излучение формируют в коллимированный пучок с размером поперечного сечения меньше длины распространения ПЭВ и направляют на образец под углом φ, удовлетворяющим условию:

где n - показатель преломления подложки,

κ' - действительная часть показателя преломления ПЭВ.

Преобразование монохроматического инфракрасного излучения в ПЭВ, не сопровождаемую набором объемных электромагнитных волн, распространяющихся над поверхностью образца в плоскости падения, в предлагаемом способе достигается в результате использования схемы Кречманна (Kretschmann E. Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflachenplasmaschwingugen // Zeitschrift für Physic, 1971, Bd.241, No.4, s.313-324) метода НПВО, в которой падающее излучение туннелирует сквозь прозрачную часть образца к поверхности, направляющей ПЭВ. В результате явления полного внутреннего отражения на границе «основание призмы НПВО - прозрачная часть образца» от направляющей ПЭВ поверхности полностью отсекаются лучи, не удовлетворяющие условию (1). Вследствие отсутствия дифракции как падающего излучения, так и ПЭВ исключается процесс порождения вторичных объемных волн. После выхода ПЭВ за пределы пучка падающего излучения над поверхностью образца распространяется только ПЭВ, а приповерхностное паразитное объемное излучение полностью отсутствует.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного р-поляризованного монохроматического ИК-излучения, 2 - прозрачная для ИК-излучения подложка со скошенным под углом α=90°-φ торцом, 3 - образец, способный направлять ПЭВ, 4 - плавно изменяющаяся по толщине прозрачная часть образца 3, 5 - окружающая образец 3 среда.

Способ осуществляется следующим образом. Излучение источника 1 направляют под углом φ, определяемым равенством (1), через подложку 2 на плавно изменяющуюся по толщине от 10 нм до 50 нм прозрачную часть 3 образца 4. Излучение частично проникает сквозь материал образца 4, достигает границы раздела «образец 3 - окружающая среда 5» и, имея одинаковую с ПЭВ, направляемую этой границей, фазовую скорость, порождает ПЭВ. При этом дифракционное объемное излучение за границей «образец 3 - окружающая среда 5» не возникает, поскольку она является гладкой и не содержит неоднородностей, способных сообщить падающему излучению дополнительный импульс.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность преобразования монохроматического ИК-излучения с длиной волны 100 мкм в ПЭВ, направляемую непрозрачным слоем золота (образцом), напыленным на плоскую поверхность полиэтиленовой подложки, находящейся в воздухе и имеющей показатель преломления 1,6. Согласно модели Друде диэлектрическая проницаемость золота на данной λ равна ε₁=-94260.3+j·202661.7 (где j - мнимая единица). Показатель преломления воздуха положим равным 1,000273. В этом случае на границе «золото-воздух» может существовать ПЭВ с показателем преломления κ=κ'+j·κ″=1.000274+j·2·10^-5, имеющая длину распространения 3,93 метра. Пусть преобразуемое излучение является коллимированным и сформировано в пучок с диаметром поперечного сечения 2,0 см. Направим такой пучок по нормали на скошенный под углом α=51°18' торец подложки, что обеспечивает падение излучения на границу «подложка-слой золота» под углом φ=38°42', удовлетворяющим условию (1) для рассматриваемого примера. Согласно формуле толщина слоя золота в пределах пучка над скошенным торцом подложки измеряется от 10 нм до 50 нм, поэтому внешней поверхности слоя достигает от 2,25% до 0,074% энергии излучения, соответственно. Поскольку при выбранном φ обеспечивается равенство фазовой скорости ПЭВ и тангенциальной составляющей фазовой скорости падающего излучения, то на внешней поверхности освещенного участка слоя происходит возбуждение ПЭВ с указанными выше характеристиками. В силу того, что диаметр пучка во много раз меньше длины распространения ПЭВ, последняя уходит с освещенного участка слоя и переходит на ту его часть, где толщина образца больше 50 нм. При этом поле ПЭВ не достигает подложки, выполняющей и функцию призмы НПВО, а следовательно, и не переизлучается в нее. В результате вдоль поверхности непрозрачной части образца распространяется ПЭВ, не сопровождаемая объемным излучением, порожденным при генерации ПЭВ, как это имеет место в способах, взятых в качестве прототипа и аналогов.

Таким образом, отказ от использования явления дифракции для преобразования объемного монохроматического инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну и применение схемы Кречманна метода нарушенного полного внутреннего отражения с плавно изменяющейся по толщине от 10 нм до 50 нм освещенной частью образца позволяет генерировать ПЭВ, не сопровождаемую объемными электромагнитными волнами, распространяющимися над поверхностью образца в плоскости падения.

Способ преобразования монохроматического инфракрасного излучения в поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), включающий размещение образца на прозрачной твердотельной подложке, придание излучению р-поляризации относительно направляющей ПЭВ поверхности образца, освещение излучением через подложку части образца, отличающийся тем, что освещаемую часть образца изготавливают плавно изменяющейся по толщине от 10 до 50 нм, а излучение формируют в коллимированный пучок с размером поперечного сечения меньше длины распространения ПЭВ и направляют на образец под углом φ, удовлетворяющим условию:
n·sin(φ)=к′,
где n - показатель преломления подложки,
к′ - действительная часть показателя преломления ПЭВ.