Патент на изобретение №2380664

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ), элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ и фотодетектор, размещенный у края поверхности в плоскости падения излучения и подключенный к измерительному прибору. При этом образец выполнен в виде двух частей, имеющих сопряженные плоские поверхности, лежащие в одной плоскости, элемент преобразования зафиксирован относительно плоской поверхности первой части по ходу излучения, фотодетектор установлен с возможностью передвижения вдоль линии пересечения плоскости падения излучения и плоской поверхности образца, а вторая часть образца является съемной. Технический результат – сокращение времени и повышение точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к бесконтактным исследованиям поверхности металлов и полупроводников оптическими методами, а именно – к определению спектров поглощения как самой поверхности, так и ее переходного слоя путем измерения длины распространения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), направляемых этой поверхностью, в инфракрасном диапазоне (ИК) спектра и может найти применение в исследованиях физико-химических процессов на поверхности твердого тела, в ИК-спектроскопии окисных и адсорбированных слоев, в сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике нанотехнологий.

Спектроскопия поверхности твердого тела – одна из основных областей применения ПЭВ [1, 2]. В ИК-диапазоне применяют, главным образом, абсорбционную ПЭВ-спектроскопию, предполагающую измерение длины распространения ПЭВ L, достигающую в этом диапазоне 1000 (где – длина волны излучения, возбуждающего ПЭВ), и которая поэтому может быть измерена непосредственно. Причем так как расстояние взаимодействия излучения с поверхностью в этом методе макроскопическое, то его чувствительность на много превышает чувствительность иных оптических методов контроля поверхности в ИК-диапазоне. Более того, в терагерцовой (ТГц) части ИК-диапазона метод ПЭВ-спектроскопии в настоящее время не имеет альтернативы при исследовании проводящей поверхности ввиду близости коэффициента отражения металлов на этих частотах к 100% [3].

Известно устройство для измерения длины распространения ПЭВ в ИК-диапазоне, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, фиксированный относительно поверхности элемент преобразования объемного излучения (ОИ) в ПЭВ, перемещаемый вдоль трека ПЭВ элемент преобразования ПЭВ в ОИ, фотодетектор, преобразующий ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений [4]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью прецизионного перемещения элемента преобразования (ПЭВ в ОИ) в процессе измерений; 2) низкая точность измерений, что связано с варьированием эффективности преобразования ПЭВ в ОИ при перемещении соответствующего элемента вдоль трека ПЭВ.

Известно устройство для определения коэффициента ПЭВ металлическими пленками, содержащее импульсный источник монохроматического излучения, элемент преобразования объемной электромагнитной волны в ПЭВ, прозрачную металлическую пленку, направляющую ПЭВ, снабженную двумя электродами, разнесенными вдоль трека ПЭВ, и имеющую ширину, не превосходящую поперечный размер пучка излучения источника, подложку для пленки, измеритель электрического напряжения, усилитель и источник постоянного тока [5]. Основными недостатками такого устройства являются: 1) ограниченность класса исследуемых образцов (они должны быть прозрачными и шириной, не превосходящей поперечный размер пучка излучения источника); 2) ограниченность разновидностей излучения, возбуждающего ПЭВ (оно должно быть импульсным); 3) необходимость термостатирования источника для стабилизации его параметров.

Известно устройство для исследования тонких слоев методом абсорбционной ПЭВ-спектроскопии в ТГц области спектра, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, объединенные в один элементы преобразования ОИ в ПЭВ и обратно, выполненные в виде прозрачной плоскопараллельной пластины со скошенным торцом, обращенной основанием к образцу, внедренной в поле ПЭВ и расположенной параллельно поверхности образца на расстоянии не меньше 10, причем размер пластины в плоскости падения не меньше длины распространения ПЭВ, а также – фотоприемное устройство, выполненое в виде линейки фотодетекторов и размещеное на верхней грани пластины [6]. Основным недостатком такого устройства является искажение результатов измерений вследствие внедрения пластины в поле ПЭВ, что приводит к увеличению потерь энергии ПЭВ на излучение и, как следствие, к уменьшению длины распространению ПЭВ по сравнению с невозмущенной поверхностью образца.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является абсорбционный ПЭВ-спектрометр ТГц диапазона, содержащий источник лазерного излучения, фокусирующий объектив, твердотельный образец с плоской поверхностью, элемент преобразования ОИ в ПЭВ в виде непрозрачного экрана, перемещаемого над поверхностью, ограниченную в направлении распространения ПЭВ ребром образца, обеспечивающим трансформацию ПЭВ в ОИ, фотоприемное устройство, преобразующее ОИ в электрический сигнал, и блок обработки результатов измерений [7]. Основными недостатками известного устройства являются: 1) большая продолжительность измерений, обусловленная необходимостью прецизионного перемещения объектива и элемента преобразования (ОИ в ПЭВ) в процессе измерений; 2) низкая точность измерений, что связано с варьированием эффективности преобразования ОИ в ПЭВ при перемещении соответствующего элемента вдоль трека ПЭВ.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является сокращение времени и повышение точности измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для измерения длины распространения ПЭВ инфракрасного диапазона, содержащем источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей ПЭВ, элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ и фотодетектор, размещенный у края поверхности в плоскости падения излучения и подключенный к измерительному прибору, образец выполнен в виде двух частей, имеющих сопряженные плоские поверхности, лежащие в одной плоскости, элемент преобразования зафиксирован 1 относительно плоской поверхности первой части по ходу излучения, фотодетектор установлен с возможностью передвижения вдоль линии пересечения плоскости падения излучения и плоской поверхности образца, а вторая часть образца является съемной.

Сокращение времени измерений достигается за счет устранения необходимости прецизионного перемещения элемента преобразования объемной волны в поверхностную вдоль трека ПЭВ в процессе измерений на расстояние, сравнимое с длиной распространения ПЭВ (от нескольких сантиметров до нескольких дециметров, в зависимости от частоты излучения).

Повышение точности измерений достигается в результате фиксации элемента преобразования объемной волны в поверхностную относительно образца, что позволяет избежать варьирования эффективности возбуждения ПЭВ в процессе выполнения измерений.

На чертеже приведена схема заявляемого устройства, где 1 – источник р-поляризованного монохроматического излучения, 2 – элемент преобразования излучения в ПЭВ, 3 – неподвижная часть образца, 4 – съемная часть образца, 5 – фотодетектор, 6 – измерительный прибор.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Излучение источника 1 падает на элемент 2 и с некоторой эффективностью преобразуется в ПЭВ, направляемую плоской поверхностью неподвижной части 3 образца. Дойдя до края поверхности части 3 образца, ИК ПЭВ переходит, практически без изменения своей интенсивности, на плоскую поверхность съемной части 4 образца и продолжает распространяться в прежнем направлении до ее края. Дифрагируя на краю части 4 образца, ПЭВ трансформируется в объемную волну, которая поглощается фотодетектором 5. Сигнал, вырабатываемый фотодетектором 5 и пропорциональный интенсивности ПЭВ I₂ на краю части 4 образца, регистрируется прибором 6. Затем съемную часть 4 образца изымают из установки, а фотодетектор 5 перемещают к краю части 3 образца и измеряют интенсивность ПЭВ I₁ на краю неподвижной части 3 образца. После чего длина распространения ПЭВ L может быть рассчитана по формуле [1, 2]:

где l – расстояние, пройденное ПЭВ по съемной части 4 образца.

Ключевым моментом функционирования заявляемого устройства является факт перехода ИК ПЭВ с одной плоской проводящей поверхности на другую, сопряженную с первой и расположенную в одной и той же плоскости, практически без потерь. Это явление исследовано в работах [8, 9], где установлено, что в среднем ИК-диапазоне эффективность перехода ПЭВ с одной упомянутой выше металлической поверхности на другую составляет около 99%, а в ТГц области ИК-спектра она практически (в пределах точности измерений) достигает 100% при расстоянии между краями поверхностей до 10. Такие зазоры между металлическими изделиями без труда достигаются шлифованием сопрягаемых поверхностей.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность измерения с его помощью длины распространения ПЭВ, генерируемой излучением источника 1 с длиной волны =20 мкм на поверхности напыленного алюминия, размещенного в воздухе. В качестве элемента преобразования 2 излучения источника в ПЭВ выберем непрозрачный экран, край которого ориентирован параллельно поверхности неподвижной части 3 образца и расположен на расстоянии 10 от нее. Размер l съемной части 4 выберем равным 10,0 см. Согласно [3] диэлектрическая проницаемость алюминия на данной равна _A1=-17925+i·17845. Тогда показатель поглощения ПЭВ (т.е. мнимая часть показателя преломления ПЭВ) в рассматриваемом примере будет равен 1,4·10^-5, что соответствует уменьшению интенсивности ПЭВ на съемной части 3 образца в 2,4 раза. Такое изменение интенсивности ПЭВ может быть надежно зарегистрировано современными фотодетекторами и согласно (1) соответствует длине пробега ПЭВ L, равной 11,4 см. Причем время измерений определяется только временем регистрации сигналов фотодетектором 5 и временем, необходимым для перемещения этого детектора на расстояние l. Погрешность же измерений, обусловленная вариацией эффективности преобразования излучения источника в ПЭВ в процессе измерений, полностью исключена вследствие фиксации элемента преобразования 2 относительно неподвижной части 3 образца.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет сократить время и повысить точность измерений.

Источники информации

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.

1684634. – Бюл. 38 от 15.10.1991 г.

2007123801/28(025929) от 27.06.2007 г. – Решение о выдаче патента от 05 июня 2008 г.

5. – с.798-802 (прототип).

Формула изобретения

Устройство для измерения длины распространения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) инфракрасного диапазона, содержащее источник лазерного излучения, твердотельный образец с плоской поверхностью, направляющей ПЭВ, элемент преобразования объемного излучения в ПЭВ и фотодетектор, размещенный у края поверхности в плоскости падения излучения и подключенный к измерительному прибору, отличающееся тем, что образец выполнен в виде двух частей, имеющих сопряженные плоские поверхности, лежащие в одной плоскости, элемент преобразования зафиксирован относительно плоской поверхности первой части по ходу излучения, фотодетектор установлен с возможностью передвижения вдоль линии пересечения плоскости падения излучения и плоской поверхности образца, а вторая часть образца является съемной.

РИСУНКИ