RU2561800C1 - Method of controlling intensity of infrared surface electromagnetic wave on flat-face structure - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to information and communication technology and a method of controlling the intensity of an infrared surface electromagnetic wave on a flat-face structure. The method includes converting on an edge the structure of the surface electromagnetic wave into a volume wave, placing the far wave zone of the radiating portion of the edge the structure of another flat-face wave-guide structure, on the edge of which there is reverse conversion of the volume wave into a surface wave. Intensity of the surface wave is controlled by changing the size of the gap which separates the wave-guide structures.

EFFECT: simpler and faster method.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области информационно-коммуникационных технологий, в которой сбор, обработка и перенос информации осуществляется поверхностными электромагнитными волнами (ПЭВ), в частности поверхностными плазмон-поляритонами (ППП), инфракрасного (ИК) и терагерцового (ТГц) диапазонов, направляемыми плоской проводящей поверхностью, и может найти применение в интерферометрах, спектрометрах и других устройствах сбора и обработки информации с использованием ПЭВ.The invention relates to the field of information and communication technologies, in which the collection, processing and transfer of information is carried out by surface electromagnetic waves (SEW), in particular surface plasmon polaritons (SPP), infrared (IR) and terahertz (THz) ranges, guided by a flat conductive surface , and can find application in interferometers, spectrometers and other devices for collecting and processing information using SEW.

Основными областями применения ПЭВ ИК и ТГц диапазонов являются оптические методы исследования поверхности твердого тела и слоев субволновой толщины на такой поверхности (спектроскопия, микроскопия, эллипсометрия, рефрактометрия), а также устройства сенсорного и информационно-коммуникационного назначения. Благодаря большой длине распространения ППП ИК и ТГц диапазонов (достигающей 10³÷10⁴ длин волн λ) созданы плазменные аналоги оптических контрольно-измерительных устройств (интерферометры, спектрометры, рефрактометры, каналы связи и др.), в которых важным условием является возможность оперативного регулирования интенсивности поверхностной волны (Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer, Springer Science + Business Media LLC, 2007. p. 89-106).The main fields of application for the IR and THz SEWs are optical methods for studying the surface of a solid body and subwavelength layers on such a surface (spectroscopy, microscopy, ellipsometry, refractometry), as well as sensory and information and communication devices. Due to the large propagation length of the IF and IR THz ranges (reaching 10 ³ ÷ 10 ⁴ wavelengths λ), plasma analogs of optical control and measuring devices (interferometers, spectrometers, refractometers, communication channels, etc.) have been created, in which the possibility of operational regulation is an important condition surface wave intensities (Maier SA Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer, Springer Science + Business Media LLC, 2007. p. 89-106).

Известен способ регулирования интенсивности пучка ИК поверхностных плазмонов, основанный на факте перераспределения поля ППП из окружающей среды в материал образца (как правило, металлического), включающий нанесение на участок поверхности плоскогранной проводящей структуры диэлектрического покрытия субволновой толщины (Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д., Завьялов В.В., Джонг Юнг Ук, Ли Банг Чол, Сеонг Хи Пак, Хек Джин Ча. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух" // Оптика и спектроскопия, 2006, Т. 100, №5, с. 798-802). Наличие на поверхности слоя диэлектрика приводит к увеличению тепловых потерь и, как следствие этого, к уменьшению (по сравнению с поверхностью, не содержащей такого слоя) интенсивности пучка ППП и его длины распространения. Существенными недостатками способа являются невозможность оперативного изменения интенсивности пучка, а также необходимость значительных трудозатрат на процедуры нанесения и последующего удаления слоя.A known method of controlling the intensity of a beam of IR surface plasmons, based on the fact of redistribution of the SPP field from the environment into the sample material (usually metal), including applying a subwavelength dielectric coating to a surface portion of a planar conductive structure (G. Zhizhin, A. Nikitin. K., Bogomolov GD, Zavyalov VV, Jung Young Uk, Lee Bang Chol, Seong Hee Pak, Heck Jin Cha. Absorption of surface plasmons of the terahertz range in the metal-coating-air-layer structure // Optics and from ektroskopiya 2006, T. 100, №5, pp. 798-802). The presence of a dielectric layer on the surface leads to an increase in heat loss and, as a consequence, to a decrease (in comparison with a surface that does not contain such a layer) the intensity of the SPP beam and its propagation length. Significant disadvantages of the method are the inability to quickly change the intensity of the beam, as well as the need for significant labor costs for the application and subsequent removal of the layer.

Технический результат изобретения направлен на обеспечение возможности оперативного регулирования интенсивности ИК ПЭВ и на снижение трудозатрат для реализации такого процесса.The technical result of the invention is aimed at providing the possibility of operational regulation of the intensity of IR SEW and to reduce labor costs for the implementation of such a process.

Технический результат достигается тем, что способ регулирования интенсивности инфракрасной поверхностной электромагнитной волны на плоскогранной структуре включает преобразование на ребре структуры поверхностной электромагнитной волны в объемную, размещение в дальней волновой зоне излучающего участка ребра структуры другой плоскогранной волноведущей структуры, на ребре которой осуществляют обратное преобразование объемной волны в поверхностную, а регулирование интенсивности поверхностной волны реализуют, изменяя величину зазора, разделяющего структуры.The technical result is achieved in that a method for controlling the intensity of an infrared surface electromagnetic wave on a planar structure includes converting a surface electromagnetic wave into a volumetric wave on the edge of the structure, placing another structured waveguide structure in the far wave zone of the radiating section, on the edge of which the inverse transformation of the body wave into surface, and the regulation of the intensity of the surface wave is implemented by changing the size of the gap pa separating structure.

Теоретической основой заявляемого изобретения является способность монохроматических ИК ППП преодолевать макроскопические царапины (шириной до 100λ) в непрозрачной металлической пленке (Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Краевые эффекты при распространении поверхностных электромагнитных волн ИК диапазона вдоль поверхности металла // Письма в ЖЭТФ, 1979, т. 29, вып. 9, с. 533-536). Переход ППП с одной подложки на другую, разделенных макроскопическим воздушным зазором, наблюдали и в ТГц диапазоне (Jeon T.-I., and Grischkowsky D. THz Zenneck surface wave (THz surface plasmon) propagation on a metal sheet // Applied Physics Letters, 2006, v. 88, 061113). Это явление обусловлено малой расходимостью объемной волны, порождаемой ГОШ на прямоугольном ребре проводящего образца (Zon V.B. Surface plasmons on a right angle metal wedge // J. Optics (A): Pure and Applied Optics, 2007, v. 9, p. S476-S480; Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Kotelnikov LA., Nikitin A.K., Cherkassky V.S., Kulipanov G.N., Zhizhin G.N. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // J. Opt. Soc. Am. (B), 2013, v. 30, p. 2182-2190), a также аффинностью распределения поля такой объемной волны и поля ППП.The theoretical basis of the claimed invention is the ability of monochromatic IR RFP to overcome macroscopic scratches (up to 100λ wide) in an opaque metal film (Zhizhin GN, Moskaleva MA, Shomina EV, Yakovlev VA. Edge effects in the propagation of surface electromagnetic waves of the IR range along the metal surface // Letters in JETP, 1979, v. 29, issue 9, p. 533-536). The transition of the SPP from one substrate to another, separated by a macroscopic air gap, was also observed in the THz range (Jeon T.-I., and Grischkowsky D. THz Zenneck surface wave (THz surface plasmon) propagation on a metal sheet // Applied Physics Letters, 2006, v. 88, 061113). This phenomenon is due to the small divergence of the body wave generated by the GSh on the rectangular edge of the conducting sample (Zon VB Surface plasmons on a right angle metal wedge // J. Optics (A): Pure and Applied Optics, 2007, v. 9, p. S476- S480; Gerasimov VV, Knyazev BA, Kotelnikov LA., Nikitin AK, Cherkassky VS, Kulipanov GN, Zhizhin GN Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // J. Opt. Soc. Am. (B), 2013, v. 30, p. 2182-2190), as well as the affinity of the distribution of the field of such a body wave and the SPP field.

Изобретение поясняется чертежами: на рис. 1 представлена схема устройства, реализующего способ; на рис. 2 - зависимость относительной интенсивности I/I₀ пучка ППП с длиной волны λ=140 мкм от величины воздушного зазора l, разделяющего две волноведущие структуры "золото - слой ZnS толщиной 0,75 мкм - воздух".The invention is illustrated by drawings: in Fig. 1 shows a diagram of a device that implements the method; in fig. 2 - dependence of the relative intensity I / I _{0 of the} SPP beam with a wavelength of λ = 140 μm on the size of the air gap l separating the two waveguide structures "gold - ZnS layer 0.75 μm thick - air".

Предлагаемый способ может быть реализован с использованием устройства, схема которого приведена на рис. 1, где цифрами обозначены: 1 первая плоскогранная волноведущая структура, прямоугольное ребро которой преобразует ПЭВ в объемную волну; 2 вторая плоскогранная волноведущая структура, прямоугольное ребро которой преобразует объемную волну в ПЭВ; 3 зазор между структурами, заполненный окружающей средой.The proposed method can be implemented using a device, a diagram of which is shown in Fig. 1, where the numbers denote: 1 the first flat-faced waveguide structure, the rectangular edge of which converts the SEW into a body wave; 2 a second plane-faced waveguide structure, the rectangular edge of which converts a body wave into a SEW; 3 gap between structures, filled with the environment.

Способ реализуется следующим образом. Две плоскогранные структуры 1 и 2, способные направлять ПЭВ, располагают в окружающей среде таким образом, чтобы их волноведущие грани лежали в параллельных плоскостях. Исходную ПЭВ направляют на ребро структуры 1. В результате дифракции на нем, ПЭВ трансформируется в объемную волну (ОВ), имеющую узкую диаграмму направленности, максимум которой направлен под небольшим углом (примерно 1,5°) к плоскости грани структуры 1. ОВ преодолевает зазор 3, разделяющий структуры 1 и 2. Взаимодействуя с прямоугольным ребром структуры 2, ОВ преобразуется в ПЭВ, направляемую гранью этой структуры. Интенсивность вторичной ПЭВ меньше интенсивности исходной ПЭВ вследствие обратно пропорциональной зависимости эффективности преобразования ОВ в ПЭВ от величины зазора 3, что и позволяет достичь искомой цели заявляемого изобретения - оперативного регулирования интенсивности ИК ПЭВ без значительных трудозатрат, необходимых для этого процесса.The method is implemented as follows. Two planar structures 1 and 2, capable of directing SEW, are placed in the environment so that their waveguide faces lie in parallel planes. The initial SEW is directed to the edge of structure 1. As a result of diffraction on it, the SEW is transformed into a body wave (OM) having a narrow radiation pattern, the maximum of which is directed at a small angle (about 1.5 °) to the plane of the face of structure 1. The OM overcomes the gap 3, separating structures 1 and 2. Interacting with the rectangular edge of structure 2, the OM is converted into a SEW, directed by the face of this structure. The intensity of the secondary SEW is less than the intensity of the initial SEW due to the inversely proportional dependence of the conversion efficiency of OM into SEW on the gap 3, which allows us to achieve the desired goal of the claimed invention - the operational regulation of the intensity of IR SEW without significant labor required for this process.

Аналитическая модель, позволяющая рассчитать зависимость интенсивности пучка ПЭВ от величины l зазора 3, может быть составлена с учетом того факта, что эффективность преобразования объемной волны в ПЭВ η определяется интегралом перекрытия их полей, пропорциональному отношению глубины проникновения поля ПЭВ δ в окружающую среду к поперечному размеру D диаграммы направленности (углового распределения интенсивности) объемной волны на расстоянии l от ребра структуры 1:An analytical model that allows one to calculate the dependence of the intensity of the SEW beam on the value l of the gap 3 can be compiled taking into account the fact that the conversion efficiency of a body wave into a SEW η is determined by the integral of the overlap of their fields proportional to the ratio of the depth of penetration of the SEW field δ into the environment to the transverse D radiation patterns (angular intensity distribution) of a body wave at a distance l from the edge of structure 1:

где δ=[Re(k_o·κ)]^-1, k=2π/λ, κ - показатель преломления ППП, α^0,5 - угловая ширина диаграммы направленности ОВ, порожденной ПЭВ при дифракции на ребре структуры 1, на уровне 0,5 от ее максимальной интенсивности. Отметим, что диаграмма направленности такой ОВ имеет в дальней волновой зоне лоренцову форму и описывается формулой (1).where δ = [Re (k _o · κ)] ^-1 , k = 2π / λ, κ is the refractive index of the SPP, α ^0.5 is the angular width of the radiation pattern generated by the SEW upon diffraction by the edge of structure 1, at level 0 , 5 from its maximum intensity. Note that the directivity pattern of such an OM in the far wave zone is Lorentzian and is described by formula (1).

Тогда интенсивность вторичной ПЭВ I, порожденной дифрагированной объемной волной на ребре структуры 2, определяется выражением:Then the intensity of the secondary SEW I generated by the diffracted body wave at the edge of structure 2 is determined by the expression:

где I₀ - интенсивность ПЭВ на крае (ребре) структуры 1.where I ₀ is the intensity of the SEW at the edge (edge) of structure 1.

В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность регулирования интенсивности ППП с λ=140 мкм, направляемую структурой "золотая подложка - слой ZnS толщиной 0,75 мкм - воздух". Длина распространения таких ППП составляет 34 см, глубина проникновения поля в воздух δ=0,7 мм, угловая ширина диаграммы направленности α_0,5=3,6°≈0,0628 рад, а дальняя волновая зона начинается с l=33 мм. Подставив эти значения δ и α_0,5 в выражение (2), получим нормированную зависимость I/I₀(l), представленную на рис. 2. Видно, что, изменяя величину зазора l от 33 мм до 100 мм, можно изменять интенсивность пучка ППП I на ребре структуры 2 в пределах от 0,3367 до 0,1111 соответственно.As an example of the application of the proposed method, we consider the possibility of controlling the intensity of the SPP with λ = 140 μm, guided by the structure of the "gold substrate - ZnS layer with a thickness of 0.75 μm - air". The propagation length of such SPPs is 34 cm, the depth of penetration of the field into the air is δ = 0.7 mm, the angular width of the radiation pattern is α _0.5 = 3.6 ° ≈0.0628 rad, and the far wave zone begins with l = 33 mm. Substituting these values of δ and α _0.5 into expression (2), we obtain the normalized dependence I / I ₀ (l), presented in Fig. 2. It can be seen that by changing the gap l from 33 mm to 100 mm, one can change the intensity of the SPP beam I on the edge of structure 2 in the range from 0.3367 to 0.1111, respectively.

Рассмотренный пример наглядно демонстрирует возможность оперативного регулирования интенсивности ИК ПЭВ без необходимости трудозатрат на нанесение и последующее удаление вспомогательного диэлектрического слоя на поверхность структуры, направляющей ПЭВ.The considered example clearly demonstrates the possibility of on-line regulation of the intensity of IR SEW without the need for labor for applying and subsequent removal of the auxiliary dielectric layer on the surface of the structure guiding the SEW.

Применение заявляемого способа позволит осуществлять оперативное регулирование интенсивности ПЭВ, что необходимо при выборе оптимального режима функционирования ПЭВ-интерферометров, измерении длины распространения ПЭВ на пространственно ограниченных образцах, в плазмонных спектрометрах абсорбционного типа, при оптимизации сопряжения плазменных каналов связи и работы иных устройств, в которых сенсором внешнего воздействия и носителем информации являются поверхностные плазмон-поляритоны или ПЭВ иного класса.The application of the proposed method will allow for the operational control of the intensity of the SEW, which is necessary when choosing the optimal mode of operation of the SEW interferometers, measuring the propagation length of the SEW on spatially limited samples, in absorption-type plasmon spectrometers, while optimizing the coupling of the plasma communication channels and the operation of other devices in which the sensor external influences and the carrier of information are surface plasmon polaritons or another type of SEW.

Claims (1)

Способ регулирования интенсивности инфракрасной поверхностной электромагнитной волны на плоскогранной структуре, включающий преобразование на ребре структуры поверхностной электромагнитной волны в объемную, размещение в дальней волновой зоне излучающего участка ребра структуры другой плоскогранной волноведущей структуры, на ребре которой осуществляют обратное преобразование объемной волны в поверхностную, а регулирование интенсивности поверхностной волны реализуют, изменяя величину зазора, разделяющего структуры. A method for controlling the intensity of an infrared surface electromagnetic wave on a planar structure, including converting a surface electromagnetic wave into a volumetric structure on the edge of the structure, placing another structured waveguide structure in the far wave zone of the radiating section, on the edge of which the body wave is inversely converted to a surface wave, and adjusting the intensity surface waves realize by changing the size of the gap separating the structure.

Images