RU2491533C1 - Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду - Google Patents
Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду Download PDFInfo
- Publication number
- RU2491533C1 RU2491533C1 RU2012108258/28A RU2012108258A RU2491533C1 RU 2491533 C1 RU2491533 C1 RU 2491533C1 RU 2012108258/28 A RU2012108258/28 A RU 2012108258/28A RU 2012108258 A RU2012108258 A RU 2012108258A RU 2491533 C1 RU2491533 C1 RU 2491533C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- field
- wave
- plane
- surface plasmons
- line
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к оптическим методам контроля поверхности металлов и полупроводников в терагерцовом диапазоне спектра и может найти применение в технологических процессах для контроля толщины и однородности тонкослойных покрытий металлизированных изделий и полупроводниковых подложек, в методах по обнаружению неоднородностей (на) проводящей поверхности, в инфракрасной (ИК) рефрактометрии металлов для определения их диэлектрической проницаемости, в ИК сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике. Способ включает измерение интенсивности поля поверхностных плазмонов (ПН) в плоскости падения излучения, генерирующего пучок лучей ПП, и расчет значения 5 по результатам измерений, для чего ПП преобразуют в объемную волну на линии фронта, принадлежащей выбранной плоскости поперечного сечения пучка, фокусируют волну в линию, лежащую в плоскости падения, и измеряют распределение интенсивности излучения на этой линии и угол наклона лучей волны к поверхности, направляющей ПП. Изобретение позволяет уменьшить время измерений. 2 ил.
Description
Изобретение относится к оптическим методам контроля поверхности металлов и полупроводников в терагерцовом (ТГц) диапазоне спектра и может найти применение в технологических процессах для контроля толщины и однородности тонкослойных покрытий металлизированных изделий и полупроводниковых подложек, в методах по обнаружению неоднородностей (на) проводящей поверхности, в инфракрасной (ИК) рефрактометрии металлов для определения их диэлектрической проницаемости, в ИК сенсорных устройствах и контрольно-измерительной технике.
Поверхностные плазмоны (ПП) - представляют собой разновидность поверхностных электромагнитных волн, направляемых проводящей поверхностью, и широко используются для ее контроля и спектроскопии [Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.]. Одной из важнейших характеристик ПП, зависящих от оптических свойств поверхности и ее покрытия, является глубина проникновения поля ПП в окружающую среду (в частности, воздух или вакуум)
- расстояние, на котором интенсивность поля уменьшается в e≈2,718 раз; здесь
- нормальная (относительно поверхности) компонента волнового числа ПП, ko=2π/λ, k - комплексный показатель преломления ПП, ε - диэлектрическая проницаемость окружающей среды, λ - длина волны излучения, генерирующего ПП. Измеряя δ, можно не только обнаруживать (по вариациям δ вдоль трека ПП) неоднородности на поверхности, но и определять диэлектрическую проницаемость материала проводящего образца или толщину и показатель преломления переходного слоя поверхности [Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v.98, 171912].
Известен способ определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, включающий измерение интенсивности поля вдоль нормали к треку ПП в плоскости падения излучения, генерирующего ПП, внесение в поле ПП острия оптоволоконного зонда, соединенного с фото детектором, подключенным к гальванометру, измерение зависимости интенсивности светового сигнала, поступающего на фотодетектор, от расстояния, отделяющего острие от поверхности, направляющей ПП, и расчет значения δ по результатам измерений [Mueckstein R., Mitrofanov О. Imaging of terahertz surface plasmon waves excited on a gold surface by a focused beam // Optics Express, 2011, v.19, No.4, p.3212-3217]. Основными недостатками способа являются возмущение зондом поля ПП, что искажает результаты измерений, и большая продолжительность процедуры зондирования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, включающий измерение интенсивности поля вдоль нормали к треку ПП в плоскости падения излучения, генерирующего ПП, внесение в поле подключенного к гальванометру фотоприемника, снабженного щелевой диафрагмой, ориентированной параллельно направляющей ПП поверхности и перпендикулярно треку, измерение на торце образца зависимости интенсивности поля от расстояния, отделяющего щель от поверхности, и расчет значения δ по результатам измерений [Gerasimov V.V., Knyazev В.А., Nikitin А.К., Zhizhin G.N. A way to determine the permittivity of metallized surfaces at terahertz frequencies // Applied Physics Letters, 2011, v.98, 171912].
Основными недостатками способа являются искажение поля ПП отраженным от диафрагмы излучением, невозможность выполнения измерений в произвольной точке трека и их большая продолжительность.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является уменьшение времени измерений.
Технический результат достигается тем, что в известном способе определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, включающем измерение интенсивности поля ПП в плоскости падения излучения, генерирующего пучок лучей ПП, и расчет значения δ по результатам измерений, согласно изобретению, ПП преобразуют в объемную волну на линии фронта, принадлежащей выбранной плоскости поперечного сечения пучка, фокусируют волну в линию, лежащую в плоскости падения, и измеряют распределение интенсивности излучения на этой линии и угол наклона лучей волны к поверхности, направляющей ПП.
Уменьшение времени измерений достигается в результате одновременного измерения линейкой фотодетекторов интенсивности поля ПП в ряде точек окружающей среды над контролируемой точкой трека.
Изобретение поясняется чертежами: на рис. 1 - схема устройства, реализующего способ; на рис. 2 - зависимость интенсивности поля ПП в рассматриваемом примере от расстояния, отделяющего данную точку поля от поверхности образца.
Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на рис.1, где цифрами обозначены: 1 - источник монохроматического излучения; 2 - поляризатор; 3 - плоское зеркало; 4 - вогнутое зеркало с цилиндрической отражающей поверхностью; 5 - проводящий образец, 6 - призма с металлизированным плоским основанием, ориентированным параллельно поверхности образца 5; 7 - поглощающий плоский экран, ориентированный перпендикулярно плоскости падения излучения и край которого удален от образца 5 на расстояние в несколько миллиметров; 8 - наклонное подвижное плоское зеркало, преобразующее ПП в объемную волну; 9 - линза с цилиндрической фокусирующей поверхностью, 10 - линейка фото детекторов, размещенная в плоскости падения и находящаяся в фокусе линзы 9; 11 - набор гальванометров, раздельно подключенных к детекторам линейки 10; 12 - устройство обработки информации; 13 - подвижная платформа с установленными на ней элементами 8, 9 и 10.
Способ осуществляется следующим образом.
Излучение источника 1 направляют на поляризатор 2, выделяющий из электромагнитной волны p-составляющую. С помощью зеркал 3 и 4 поляризованное излучение направляют в зазор между проводящей поверхностью образца 5 и металлизированным основанием призмы 6. В зазоре излучение преобразуется в ТМ-моды полого металлического волновода, образованного основанием призмы 6 и поверхностью образца 5. Дифрагируя на крае призмы 6, моды с некоторой эффективностью преобразуются в ПП и порождают веер паразитных объемных волн, поглощаемых экраном 7 [Gong M., Jeon T.-L, Grischkowsky D. THz surface wave collapse on coated metal surfaces // Optics Express, 2009, v.1 7(19), 17088]. Пучок ПП проходит под экраном 8 и распространяется в плоскости падения по поверхности образца 5. Дойдя до передней кромки зеркала 8, перпендикулярной волновому фронту пучка, ПП преобразуются в объемную волну (OB). Преобразование ПП в объемное излучение происходит в результате сообщения ПП зеркалом встречного (по отношению к направлению распространения ПП) отрицательного импульса. Что обеспечивает выполнение неравенства kПП<ko (где kПП и ko - модули волновых векторов ПП и плоской волны в окружающей среде, соответственно), необходимого для трансформации ПП в объемную волну [Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. - M.: Наука, 1985. - 525 с.]. Отметим, что распределение интенсивности в ОВ, распространяющейся параллельно поверхности образца 5, идентично распределению интенсивности поля ПП на кромке зеркала 8. Эта OB, направляется зеркалом 8 через линзу 9 на линейку 10. Электрические сигналы с выходов детекторов линейки 10 измеряются соответствующими гальванометрами набора 11 и поступают на устройство 12, которое нормирует их на максимальный сигнал и, с учетом угла наклона лучей ОВ к поверхности образца 5, вычисляет искомое значение глубины проникновения поля ПП в окружающую среду δ. Перемещая платформу 13 вдоль направления трека ТГц ПП аналогичным образом можно определить величину δ в любой точке трека (в случае наличия на поверхности образца 5 неоднородности, значение δ может соответствующим образом изменяться).
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность определения величины δ для ТГц ПП, генерируемых излучением лазера на свободных электронах с длиной волны λ=130 мкм [Knyazev В.A., Kulipanov G.N., Vinokurov N.A.. Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. & Techn., 2010, v.21, 054017] на плоской поверхности размещенного в воздухе золотого образца длиной 20 см. В этом случае комплексный показатель преломления ПП, рассчитанный с использованием дисперсионного уравнения ПП для двухслойной структуры и модели Друде для диэлектрической проницаемости золота [Ordal М.А., Bell R.J., Alexander R.W., Long L.L., and Querry M.R. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Applied Optics, 1985, v. 24, No.24, p. 4493-4499], равен κ=1,000273+i·5,6·10-7, что соответствует длине распространения ПП, равной 180 см. Угол наклона зеркала 8 к поверхности образца 5, положим равным 45°, что обеспечивает распространение OB, порожденной ПП на передней кромке зеркала 8, перпендикулярно к треку ПП. В качестве фотоприемного устройства выберем болометрическую матрицу, состоящую из 320×240 пикселей, размером 51×51 мкм каждый [Демьяненко М.А., Есаев Д.Г., Овсюк В.Н., Фомин Б.И., Асеев А.Л., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н., Винокуров Н.А. Матричные микроболометрические приемники для ИК и ТГц диапазонов // Оптический журнал, 2009, т. 76, №12, с.5-11]. На рис. 2 приведена зависимость нормированной интенсивности поля ПП I/I0 (где I0 - интенсивность поля ПП на поверхности) в рассматриваемом примере от расстояния г, отделяющего данную точку поля от поверхности образца, с учетом искажения распределения I/I0(z) вследствие наклона зеркала 8 на 45°. Из этой зависимости следует, что величина δ в рассматриваемом примере равна 15,3 мм. Поле ПП может быть полностью (в пределах величины δ) практически мгновенно зарегистрировано столбцом матрицы, при условии размещения ее стороной в 320 пикселей параллельно плоскости падения, а значение δ - количественно оценено устройством обработки информации с точностью до 0,3% (отношение размера пикселя к δ).
Таким образом, приведенный пример наглядно демонстрирует возможность практически мгновенного определения глубины проникновения поля ТГц ПП в окружающую среду δ, что и обеспечивает достижение поставленной в изобретении цели - сокращение времени измерений величины δ.
Claims (1)
- Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду, включающий измерение интенсивности поля поверхностных плазмонов в плоскости падения излучения, генерирующего пучок лучей поверхностных плазмонов, и расчет значения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду по результатам измерений, отличающийся тем, что поверхностные плазмоны преобразуют в объемную волну на линии фронта, принадлежащей выбранной плоскости поперечного сечения пучка, фокусируют волну в линию, лежащую в плоскости падения, и измеряют распределение интенсивности излучения на этой линии и угол наклона лучей волны к поверхности, направляющей поверхностные плазмоны.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012108258/28A RU2491533C1 (ru) | 2012-03-05 | 2012-03-05 | Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012108258/28A RU2491533C1 (ru) | 2012-03-05 | 2012-03-05 | Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2491533C1 true RU2491533C1 (ru) | 2013-08-27 |
Family
ID=49163892
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012108258/28A RU2491533C1 (ru) | 2012-03-05 | 2012-03-05 | Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2491533C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2629909C1 (ru) * | 2016-11-17 | 2017-09-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Статическое устройство для определения распределения интенсивности поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны вдоль её трека |
RU2786377C1 (ru) * | 2022-04-25 | 2022-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в терагерцовом диапазоне |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1308830A1 (ru) * | 1985-07-04 | 1987-05-07 | Центральное Проектно-Конструкторское И Технологическое Бюро Научного Приборостроения Ан Узсср | Устройство дл контрол толщины тонких пленок |
EP0439881A1 (en) * | 1988-07-13 | 1991-08-07 | Vti, Inc. | Method and apparatus for nondestructively measuring micro defects in materials |
US6956651B2 (en) * | 2002-09-07 | 2005-10-18 | Hilary S. Lackritz | Bioanalysis systems including optical integrated circuit |
RU2419779C2 (ru) * | 2009-07-07 | 2011-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона |
-
2012
- 2012-03-05 RU RU2012108258/28A patent/RU2491533C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1308830A1 (ru) * | 1985-07-04 | 1987-05-07 | Центральное Проектно-Конструкторское И Технологическое Бюро Научного Приборостроения Ан Узсср | Устройство дл контрол толщины тонких пленок |
EP0439881A1 (en) * | 1988-07-13 | 1991-08-07 | Vti, Inc. | Method and apparatus for nondestructively measuring micro defects in materials |
US6956651B2 (en) * | 2002-09-07 | 2005-10-18 | Hilary S. Lackritz | Bioanalysis systems including optical integrated circuit |
RU2419779C2 (ru) * | 2009-07-07 | 2011-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
GERASIMOV V.V. et al. A way to determine the permittivity of metalized surfaces at terahertz frequencies. Applied Physics Letters, 2011, v.98, 171912. MUECKSTEIN R. et al. Imaging of terahertz surface Plasmon waves excited on a gold surface by a focused beam. Optics Express, 2011, v. 19, N4, p.3212-3 217. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2629909C1 (ru) * | 2016-11-17 | 2017-09-04 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Статическое устройство для определения распределения интенсивности поля инфракрасной поверхностной электромагнитной волны вдоль её трека |
RU2786377C1 (ru) * | 2022-04-25 | 2022-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) | Способ определения диэлектрической проницаемости металлов в терагерцовом диапазоне |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106441580B (zh) | 可变角度入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪 | |
CN107132029B (zh) | 一种同时测量高反射/高透射光学元件的反射率、透过率、散射损耗和吸收损耗的方法 | |
CN105333841B (zh) | 基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测方法 | |
CN105699317A (zh) | 固定角度入射同时测透射和反射的太赫兹时域光谱仪 | |
CN104864817B (zh) | 基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置及方法 | |
WO2016084322A1 (en) | Measuring apparatus and method for measuring terahertz pulses | |
Bozec et al. | Localized photothermal infrared spectroscopy using a proximal probe | |
CN109115690A (zh) | 实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪及光学常数测量方法 | |
JP2008076159A (ja) | 内部欠陥検査方法及び内部欠陥検査装置 | |
CN108088810B (zh) | 一种基于太赫兹等离子增强效应的湿度传感器及其*** | |
RU2512659C2 (ru) | Способ измерения длины распространения инфракрасных поверхностных плазмонов по реальной поверхности | |
RU2645008C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
RU2522775C1 (ru) | Способ пассивной локализации ребер прямоугольного металлического параллелепипеда в инфракрасном излучении | |
US8339599B2 (en) | Measuring arrangement for an optical spectrometer | |
US10935368B2 (en) | Scanning caliper and basis weight sensor for sheet products using terahertz | |
RU2491533C1 (ru) | Способ определения глубины проникновения поля терагерцовых поверхностных плазмонов в окружающую среду | |
US6831747B2 (en) | Spectrometry and filtering with high rejection of stray light | |
US20060164638A1 (en) | Near-field film-thickness measurement apparatus | |
RU2660765C1 (ru) | Способ бесконтактного измерения температуры in situ | |
WO2004113885A1 (ja) | 光波形測定装置とその測定方法,および複素屈折率測定装置とその測定方法,およびそのプログラムを記録したコンピュータプログラム記録媒体 | |
RU2681427C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны | |
Bai et al. | Measuring the speed of a surface plasmon | |
RU2709600C1 (ru) | Интерферометр Майкельсона для определения показателя преломления поверхностных плазмон-поляритонов терагерцевого диапазона | |
JP2004245674A (ja) | 放射温度測定装置 | |
RU2703772C1 (ru) | Устройство для измерения длины распространения инфракрасной поверхностной электромагнитной волны |