[go: up one dir, main page]

RU2681658C1 - Устройство для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения - Google Patents

Устройство для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения Download PDF

Info

Publication number
RU2681658C1
RU2681658C1 RU2018109126A RU2018109126A RU2681658C1 RU 2681658 C1 RU2681658 C1 RU 2681658C1 RU 2018109126 A RU2018109126 A RU 2018109126A RU 2018109126 A RU2018109126 A RU 2018109126A RU 2681658 C1 RU2681658 C1 RU 2681658C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sew
radiation
source
attenuation coefficient
electromagnetic wave
Prior art date
Application number
RU2018109126A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Константинович Никитин
Борис Александрович Князев
Василий Валерьевич Герасимов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН)
Priority to RU2018109126A priority Critical patent/RU2681658C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2681658C1 publication Critical patent/RU2681658C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/42Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области исследования поверхности материалов оптическими методами и касается устройства определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения. Устройство включает в себя источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец, имеющий плоскую грань и способный направлять ПЭВ, элемент для разделения исходного пучка ПЭВ на два вторичных пучка, два фокусирующих объектива и два фотоприемника, размещенных в фокусах этих объективов и сопряженных с измерительными приборами. Элемент для разделения пучка ПЭВ выполнен в виде плоской светоделительной пластинки с известными коэффициентами отражения и пропускания данной ПЭВ, ориентированной перпендикулярно грани образца, примыкающей к ней и пересекающей исходный пучок ПЭВ. Технический результат заключается в повышении точности и упрощении процедуры измерений. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области исследования поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно - к определению спектров поглощения, как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения коэффициента затухания поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых этой поверхностью в инфракрасной (ИК) и терагерцовой (ТГц) областях спектра, и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, в ИК-спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в контрольно-измерительной технике нанотехнологий, в лазерной и интегральной оптике.
ПЭВ широко применяют в абсорбционной спектроскопии поверхности твердого тела и ее переходного слоя [1]. Метод абсорбционной ПЭВ-спектроскопии используют, в основном, в средней и дальней областях ИК диапазона, где длина распространения ПЭВ достигает 1000λ, (здесь λ - длина волны излучения в свободном пространстве) и может быть непосредственно измерена. Причем, так как расстояние взаимодействия зондирующего излучения с поверхностью при преобразовании его в ПЭВ многократно возрастает (по сравнению с отражательными методами изучения поверхности), то чувствительность метода абсорбционной ПЭВ-спектроскопии, соответственно, на много выше чувствительности иных абсорбционно-оптических методов контроля поверхности в ИК-диапазоне.
Для определения коэффициента затухания ПЭВ α в РЖ-диапазоне измеряют длину распространения ПЭВ L - величину обратную α и равную расстоянию, на котором интенсивность поля ПЭВ уменьшается в е раз.
Известно болометрическое устройство для определения коэффициента затухания ПЭВ за время одного импульса, содержащее импульсный источник р-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец в виде узкого прозрачного металлического слоя на плоской подложке, снабженного двумя электродами, последовательно подключенными к слою после элемента преобразования на расстоянии не менее чем на порядок превышающем ширину слоя, источник постоянного тока, усилитель и измеритель электрического напряжения [2]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) ограниченность класса ПЭВ, поддающихся контролю; 2) низкая точность измерений, обусловленная квазиадиабатичностью процесса передачи энергии ПЭВ образцу.
Известно устройство для получения спектров поглощения тонких слоев в терагерцовой области спектра, содержащее перестраиваемый по частоте источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью и исследуемым слоем на ней, элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ и обратно, выполненный как одно целое в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом, причем пластина своей гранью, обращенной к образцу, расположена в поле ПЭВ параллельно поверхности образца на расстоянии не меньше 10λ от нее и имеет длину вдоль трека ПЭВ не менее длины распространения ПЭВ, фотоприемное устройство, выполненное в виде линейки фотодетекторов и размещенное на верхней грани пластины, и блок обработки результатов измерений [3]. Известное устройство имеет следующие недостатки: 1) наличие пластины в поле ПЭВ искажает ее поле и обуславливает дополнительные (радиационные) потери ПЭВ, искажая таким образом результат измерений; 2) пластина перекрывает доступ к исследуемой поверхности, что часто является неприемлемым.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для определения коэффициента затухания ПЭВ инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащее источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец, имеющий плоскую грань и способный направлять ПЭВ, элемент для разделения исходного пучка ПЭВ на два вторичных пучка, выполненный в виде уголкового зеркала, установленного на грани образца и ориентированного отражающими гранями перпендикулярно к ней, причем ребро этого зеркала, образованное отражающими гранями, расположено в плоскости падения, содержащей ось пучка излучения источника, два фокусирующих объектива и два фотоприемника, размещенных в фокусах этих объективов и сопряженных с измерительными приборами [4]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) низкая точность измерений из-за небольшого соотношения сигнал/шум, что является следствием дифракции излучения источника на ребре зеркала, сопровождаемой порождением веера паразитных приповерхностных волн, засвечивающих фотоприемники [5]; 2) необходимость прецизионной юстировки устройства с целью достижения равенства интенсивностей вторичных пучков на отражающих гранях зеркала и поддержания его в процессе измерений.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности измерений и упрощение процедуры измерений.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащем источник коллимированного р-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец, имеющий плоскую грань и способный направлять ПЭВ, элемент для разделения исходного пучка ПЭВ на два вторичных пучка, два фокусирующих объектива и два фотоприемника, размещенных в фокусах этих объективов и сопряженных с измерительными приборами, элемент для разделения пучка ПЭВ выполнен в виде плоской светоделительной пластинки с известным коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания данной ПЭВ, ориентированной перпендикулярно грани образца, примыкающий к ней и пересекающей исходный пучок ПЭВ.
Повышение точности измерений достигается увеличением соотношения сигнал/шум, вследствие использования в качестве элемента для разделения исходного пучка ПЭВ плоской светоделительной пластинки вместо уголкового зеркала. Взаимодействие пучка ПЭВ с однородной пластинкой, пересекающей трек пучка, сопровождается порождением значительно меньшего количества паразитных приповерхностных волн, чем при его взаимодействии с ребром зеркала, сопрягающим его отражающие грани [6].
Упрощение процедуры измерений также является результатом использования светоделительной пластинки вместо уголкового зеркала, поскольку при этом исчезает необходимость прецизионной юстировки устройства с целью достижения равенства интенсивностей вторичных пучков и поддержания его в процессе измерений.
На Фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения; 2 - элемент преобразования излучения источника 1 в ПЭВ; 3 - плоская грань образца, способная направлять ПЭВ; 4 - плоская светоделительная пластинка с известным коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания данной ПЭВ, ориентированная перпендикулярно грани 3, примыкающая к ней и пересекающая исходный пучок ПЭВ; 5 - фокусирующие объективы; 6 - фотоприемники, размещенные в фокусах объективов 5; 7 - измерительные приборы G1 и G2, подключенные к выходам приемников 6.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 направляют на элемент 2, преобразующий излучение в параллельный пучок лучей ПЭВ на плоской грани 3 образца. Сформированный пучок ПЭВ достигает пластинки 4, разделяющей его на два вторичных пучка ПЭВ, энергия которых определяется коэффициентом отражения R и коэффициентом пропускания Т пластинки 4 для данной ПЭВ. Вторичные пучки распространяются по различным трекам и, пройдя соответствующие расстояния x1 и х2, достигают ребер грани 3. В результате дифракции на них 3 вторичные пучки ПЭВ практически со 100% эффективностью преобразуются в узконаправленное (в плоскости, перпендикулярной грани 4) излучение [7], направляемое объективами 5 на соответствующие приемники 6. Сигналы на выходах приемников 6, пропорциональные энергиям вторичных пучков ПЭВ на ребрах грани 3, измеряются приборами 7 и описываются выражениями: I1=Io⋅R⋅ехр(-α⋅х1) и I2=Io⋅Т⋅ехр(-α⋅х2); где I1 - сигнал, порожденный пучком ПЭВ, отраженным пластинкой 4; где I2 - сигнал, порожденный пучком ПЭВ, прошедшим через пластинку 4; Io - энергия исходного пучка ПЭВ на входе в пластинку 4. Используя измеренные значения I1, I2, x1 и х2, а также известные значения R и T, рассчитывают значение коэффициента затухания ПЭВ α по формуле, полученной путем решения системы выражений для I1 и I2 относительно α:
Figure 00000001
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность определения коэффициента затухания ПЭВ, генерируемых на поверхности алюминиевого образца, размещенного в воздухе, излучением с λ=130 мкм и длительностью импульсов 3 мкс. Диаметр d поперечного сечения пучка излучения источника 1 выберем равным 1,0 см, а в качестве элемента преобразования 2 - планарную дифракционную решетку с периодом 500 мкм и амплитудой гофра 100 мкм, длина и ширина которой не меньше d. Положим, что объективами 5 являются ТРХ(полиметилпентен)-линзы с фокусным расстоянием 25 мм [8]. В качестве приемников 6 выберем электрооптические детекторы импульсного ТГц излучения ЭОД-БИК [8], а каптоновую (полиимидную) пленку толщиной 0.14 мм с R=0.5 и T=0.45 для данной ПЭВ используем для деления пучка ПЭВ вместо пластинки 4 [6]. Пусть от пленки 4 до приемников 6 пучки ПЭВ-пучки проходят расстояния x1=50 мм (отраженный пучок) и х2=150 мм (прошедший через пленку 4 пучок), при этом отношение сигналов, вырабатываемых приборами G1 и G2 (см. Фиг. 1) равно 2.17. Тогда, согласно формуле (1), получим: α=6,7⋅10-2 см-1, что соответствует длине распространения ПЭВ равной 15.0 см. Отметим, что время измерений определяется фактически временем срабатывания приемников 6, которое в рассматриваемом примере составляет до 120 фс [8].
Таким образом, применение в заявляемом устройстве плоской светоделительной пластинки вместо уголкового зеркала для разделения исходного пучка ПЭВ позволяет не только упростить процедуру измерений, вследствие исключения необходимости прецизионной юстировки устройства с целью достижения равенства интенсивностей вторичных ПЭВ-пучков и поддержания его в процессе измерений, но и повысить точность измерений в результате увеличения соотношения сигнал/шум за счет значительного уменьшения количества и интенсивности паразитных приповерхностных волн, порождаемых при разделении исходного ПЭВ-пучка на вторичные.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.
2. Большаков М.М., Никитин А.К., Тищенко А.А., Самодуров Ю.И. Устройство для определения коэффициента поглощения ПЭВ металлическими пленками // Автор, св. СССР №1684634. - Бюл. №38 от 15.10.1991 г.
3. Никитин А.К., Жижин Г.Н., Богомолов Г.Д., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Устройство для получения спектров поглощения тонких слоев в терагерцовой области спектра // Патент РФ на изобретение №2345351. - Бюл. №3 от 27.01.2009 г.
4. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Никитин В.В., Чудинова Г.К. Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны ИК диапазона за время одного импульса излучения // Патент РФ на изобретение №2400714. - Бюл. №27 от 27.09.2010 г. (прототип).
5. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К., Никитин В.В. Способ индикации дифракционных спутников поверхностных плазмонов терагерцового диапазона // Письма в ЖТФ, 2010, том 36, вып. 21, с. 93-101.
6. Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Reflection of terahertz surface plasmons from plane mirrors and transparent plates // Proc. of 41-st Intern. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz. Copenhagen, 25-30 Sept., 2016. - P. 7758410-7758411. (http://www.irmmw-thz2016.org/)
7. Kotelnikov I.A., Gerasimov V.V., Knyazev B.A. Diffraction of surface wave on conducting rectangular wedge // Phys. Rev. (A), 2013, V. 87, 023828.
8. http://www.tvdexoptics.com/ru/products/thz_optics/thz_lens1/

Claims (1)

  1. Устройство для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения, содержащее источник коллимированного p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования излучения источника в пучок ПЭВ, образец, имеющий плоскую грань и способный направлять ПЭВ, элемент для разделения исходного пучка ПЭВ на два вторичных пучка, два фокусирующих объектива и два фотоприемника, размещенных в фокусах этих объективов и сопряженных с измерительными приборами, отличающееся тем, что элемент для разделения пучка ПЭВ выполнен в виде плоской светоделительной пластинки с известным коэффициентом отражения и коэффициентом пропускания данной ПЭВ, ориентированной перпендикулярно грани образца, примыкающей к ней и пересекающей исходный пучок ПЭВ.
RU2018109126A 2018-03-14 2018-03-14 Устройство для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения RU2681658C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018109126A RU2681658C1 (ru) 2018-03-14 2018-03-14 Устройство для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018109126A RU2681658C1 (ru) 2018-03-14 2018-03-14 Устройство для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2681658C1 true RU2681658C1 (ru) 2019-03-12

Family

ID=65805707

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018109126A RU2681658C1 (ru) 2018-03-14 2018-03-14 Устройство для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2681658C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2380665C1 (ru) * 2008-12-11 2010-01-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Устройство для определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн инфракрасного диапазона
RU2400714C1 (ru) * 2009-04-02 2010-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения
JP2012132886A (ja) * 2010-12-24 2012-07-12 Konica Minolta Holdings Inc 金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法及び金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置
US8749790B1 (en) * 2011-12-08 2014-06-10 Western Digital (Fremont), Llc Structure and method to measure waveguide power absorption by surface plasmon element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2380665C1 (ru) * 2008-12-11 2010-01-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Устройство для определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн инфракрасного диапазона
RU2400714C1 (ru) * 2009-04-02 2010-09-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения
JP2012132886A (ja) * 2010-12-24 2012-07-12 Konica Minolta Holdings Inc 金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法及び金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置
US8749790B1 (en) * 2011-12-08 2014-06-10 Western Digital (Fremont), Llc Structure and method to measure waveguide power absorption by surface plasmon element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2015054B1 (en) Terahertz Time-Domain Spectroscopy in Attenuated-Total-Reflection
US8107077B2 (en) Terahertz spectroscopic apparatus
JP6997779B2 (ja) 音響共鳴分光測定方法及びシステム
JPH06213813A (ja) 物質および/またはその特性決定の方法と装置
CN109030406B (zh) 太赫兹频谱校准系统及方法
RU2318192C1 (ru) Плазмонный спектрометр терагерцового диапазона для исследования проводящей поверхности
EP0075689A1 (en) Optical instruments for viewing a sample surface
RU2645008C1 (ru) Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны
RU2681658C1 (ru) Устройство для определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения
RU2512659C2 (ru) Способ измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов по реальной поверхности
US20060256916A1 (en) Combined ultra-fast x-ray and optical system for thin film measurements
RU2400714C1 (ru) Способ определения коэффициента затухания поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения
RU2573617C1 (ru) Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр
RU2380664C1 (ru) Устройство для измерения длины распространения поверхностных электромагнитных волн инфракрасного диапазона
US5285260A (en) Spectroscopic imaging system with ultrasonic detection of absorption of modulated electromagnetic radiation
Zhizhin et al. Free-electron laser for infrared SEW characterization surfaces of conducting and dielectric solids and nm films on them.
JP2004219371A (ja) 半導体多層膜の分光計測方法および分光計測装置
RU2477841C2 (ru) Инфракрасный амплитудно-фазовый плазмонный спектрометр
CN111272881A (zh) 一种非接触式检测纳米薄膜热扩散率的激光超声系统及方法
RU2372591C1 (ru) Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасной области спектра
RU2380665C1 (ru) Устройство для определения коэффициента поглощения поверхностных электромагнитных волн инфракрасного диапазона
RU2681427C1 (ru) Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны
RU2699304C1 (ru) Устройство для определения длины распространения поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона за время одного импульса излучения
RU2709600C1 (ru) Интерферометр Майкельсона для определения показателя преломления поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона
RU2419779C2 (ru) Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона