WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
SURFACE ПОВЕРХНОСТНЫЕ ELECTROMAGNETIC ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ WAVES IN OPTICS В ОПТИКЕ M. N. LIBENSON The applications of surface..

electromagnetic waves of ‡-·„ „‰‡‚ ‡ ( ‚) optical range, or surface polaritons, to precision measurements in metal optics, and to super-high Разработка методов и создание устройств для resolution microscopy are возбуждения светом поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) открыли в оптической науке и considered. The physical технике новые возможности. Они обусловлены таprocesses, in which these кими удивительными свойствами ПЭВ, как локаwaves play leading role, лизация волны в тонких приповерхностных слоях двух граничащих между собой сред, распространеare described.

ние на большие расстояния вдоль поверхности, высокая чувствительность к различного рода поверхностным неоднородностям и дефектам. Эти и другие ‡ свойства и особенности ПЭВ рассмотрены в моей ‚ статье [7]. Здесь же основное внимание уделяется ‡„ ‚ примерам использования ПЭВ для высокоточных измерений оптических констант металлических „ ‰‡‡‡, зеркальных поверхностей и в оптической микро ‚ скопии сверхвысокого разрешения. Кроме того, буfl‚, ‰fl ‚дет рассказано об интересных и широко распространенных физических явлениях, сопровождающих ‚ действие на поверхность интенсивного лазерного ‡ излучения, объяснение которых оказалось возмож ‚‚„ ным только с учетом представлений о ПЭВ.

‡fl, ‡ ‡, ‚ „‡ Одним из важнейших, но трудно реализуемых ‰fl.

оптических измерений на металлических зеркалах с большим коэффициентом отражения R является измерение с высокой точностью их коэффициента поглощения (или поглощательной способности) A = 1 - R. Знать этот параметр необходимо в первую очередь там, где используются интенсивные световые пучки, способные нагревать и разрушать металл. Хорошо известна такая проблема и в технике мощных лазеров, где металлические зеркала используются в качестве “глухих” зеркал в оптических резонаторах, а также как поворотные зеркала в оптических трактах. Использовать традиционные измерения коэффициентов отражения здесь оказывается недостаточно, так как при измерении величины R = 0,95–0,99 с относительной погрешностью всего лишь 1% относительная погрешность определения величины А составит уже от 20 до 100%.

Применение ПЭВ для измерения поглощательной способности высокоотражающих зеркальных.. © ·.., поверхностей позволяет преодолеть принципиальные соответствующим выбором и точностью измерения недостатки обычных методов. Сама по себе воз- расстояния между зонами ввода и вывода ПЭВ. Заможность использовать ПЭВ для таких измерений метим, что для возбуждения ПЭВ обычно использусвязана с тем, что обычная электромагнитная волна ют СО2-лазеры, излучение которых на длине волны и поверхностный поляритон сосредоточены внутри = 10,6 мкм p-поляризовано (электрический векметалла в одном и том же слое – так называемом тор лежит в плоскости падения). Для получения скин-слое, толщина которого определяется взаи- спектральных зависимостей величины L иногда модействием света со свободными электронами ме- производят перестройку длины волны в диапазоне талла. В то же время если обычная волна распрост- 9–11 мкм с помощью диспергирующих элементов раняется по металлу поперек скин-слоя, то ПЭВ (чаще всего отражательных дифракционных решепробегает свой путь по поверхности вдоль скин- ток), вводимых в резонатор лазера. Для расширения слоя, и длина этого пробега L тем больше, чем мень- спектрального интервала используют перестраиваше поглощение света металлом. В результате оказы- емые лазеры иного спектрального диапазона.

вается, что если оценивать поглощение по измерен Пересчет результатов измерений величины L на ным значениям величины L, то точность измерений значение поглощательной способности металла A растет с уменьшением поглощательной способнос(на той же длине волны) производят с помощью ти металла A.

формул теории ПЭВ и теоретической металлооптиВ предыдущей статье [7] уже рассматривались ки. Напомним, что оптические свойства электронметоды наиболее эффективного возбуждения ПЭВ ного газа в металле определяются соотношением оптического диапазона. В данном случае для ввода частоты его собственных колебаний, или плазмен(и вывода) ПЭВ обычно применяют призмы наной частоты ( 1016 c- 1), частоты столкновений p рушенного полного внутреннего отражения, диэлектронов ( ~ 1014 c- 1) и частоты света, которая в фракционные решетки и краевые диафрагмы. Эти оптическом диапазоне составляет 1014–1015 c- 1.

специальные элементы возбуждения ПЭВ хорошо При этом, согласно современной теории металлов, зарекомендовали себя на практике. Для получения хорошо соответствующей эксперименту, информации о длине пробега (или затухания) ПЭВ c2L необходимо уметь регистрировать изменение A = ----- 0,01–0,05, = ----- 0,01–0,05 мкм, мощности или интенсивности ПЭВ вдоль пути p p распространения волны. Для этого на различных где c0 – скорость света в вакууме. Из теории ПЭВ, расстояниях x от элемента ввода ПЭВ размещают связывающей длину пробега этой волны с микрохааналогичный элемент, служащий для обратного рактеристиками металла, независимо следует, что преобразования ПЭВ в объемное излучение (рис. 1).

при тех же соотношениях между величинами, и При этом регистрируемый сигнал экспоненциаль2 L = c0 ( ) и в итоге p p но спадает от своего исходного значения (x) = exp(- x/L), (1) 2cp A = --------------. (2) L где x – расстояние между элементами ввода и вывода ПЭВ. Измеряя зависимость (x), легко определить На длине волны излучения СО2-лазера (средний величину L. Точность измерения L (или ее изменеИК-диапазон) типичные значения L для благородний) в каждом конкретном случае обеспечивается ных металлов (золота, серебра), а также для меди и алюминия составляют от 1 до 5 см, что позволяет измерять их с относительной погрешностью не вы1 ше 10%. Если для данного металла известно значение плазменной частоты, то найти величину A p можно по формуле (2), причем относительная погрешность такого определения также не выше 10%.



x Конкретный пример использования изложенного метода иллюстрируется табл. 1.

Столь простая связь между длиной пробега ПЭВ Рис. 1. Схема измерения длины пробега ПЭВ в среднем ИК-диапазоне с помощью призм наруи поглощением в металле обычной электромагнитшенного полного внутреннего отражения: 1 – СО2ной волны справедлива далеко не всегда. Правильлазер непрерывного действия мощностью от 1 до нее считать, что измерения только длины пробега 50 Вт с длиной волны излучения 10,6 мкм; 2, 6 – (или затухания) ПЭВ L недостаточно для однозначполяризованное монохроматическое излучение;

3, 5 – призмы ввода и вывода ПЭВ (4) соответст- ного определения величины A, поскольку даже для венно, находящиеся на варьируемом расстоянии идеальных зеркальных поверхностей L и A зависят x друг от друга; 7 – фотоприемник; 8 – металличеот двух неизвестных заранее микрохарактеристик ский образец с поверхностью оптического качестметалла: плазменной частоты и частоты столква. Оптимальный зазор между базовыми гранями p призм и образцом составляет 30–50 мкм. новений свободных электронов. Поэтому для, ‹11, Таблица 1. Связь коэффициента поглощения глад- световой пучок II направляется над самой поверхких металлических поверхностей с длиной пробега ностью металла, вдоль нее и коллинеарно распростПЭВ, = 10,6 мкм ранению ПЭВ. На образец на расстоянии s друг от друга нанесены еще две дифракционные решетки Материал L, см (эксп.) A (расчет по (2)) и 8, служащие для обратного преобразования ПЭВ в объемное излучение. На них происходит также часПолированная медь 1,8 0,тичное рассеяние пучка света II. В результате этих процессов в суммарных интерферирующих светоПленка золота на 2,3 0,вых потоках, распространяющихся в направлении стекле фотоприемников 9 и 10, возникают низкочастотные Пленка алюминия 1,5 0,биения на разностной частоте. Их легко зарегисна стекле трировать, используя в качестве фотоприемников пироэлектрические фотодетекторы. Измеряемая при этом разность показаний двух фотодетекторов корректного определения оптических характерисбудет определяться фазовым сдвигом, накопленным тик металла методом ПЭВ необходимо независина пути протяженностью s за счет разности скоромое измерение другого ее параметра. Таким параместей распространения ПЭВ и объемного излучения:

тром является, например, фазовая скорость ПЭВ Vph = (ks)/ks. Здесь ks – волновое число ПЭВ, а - || = s( - c–1 ) = s(ks - k0), (3) (ks) описывает его частотную дисперсию, подробно рассмотренную в статье [7]. На низких частотах где k0 = /c0 – волновое число света.

( ) эта скорость очень близка к скорости света, p В табл. 2 приведены полученные с помощью геи несущая важнейшую физическую информацию о теродинного ПЭВ-интерферометра данные о фазоПЭВ ничтожная разность этих скоростей крайне вой скорости распространения ПЭВ на длине волны трудно измерима.

10,6 мкм и рассчитанные с их помощью значения Сравнительно недавно был предложен, разрабоплазменной частоты для некоторых металлов.

тан и успешно опробован удобный и перспективТаким образом, сочетание измерений длины ный гетеродинный ПЭВ-интерферометр, позволяпробега и фазовой скорости ПЭВ позволяет полующий измерять фазовую скорость ПЭВ Vph с чить ценную информацию о характеристиках повысокой точностью. Принципиальная схема такого верхностного поляритона и физических свойствах интерферометра показана на рис. 2. Излучение лазескин-слоя металла.

ра 1 с помощью светоделителя 2 расщепляется на два пучка. Один из них (I) используется для непоОднако, как часто бывает в физике, строгая средственного резонансного возбуждения ПЭВ на интерпретация результатов измерений требует поверхности металлического образца с помощью одновременного учета нескольких факторов. В дифракционной решетки 6. Другой направляется на частности, поскольку поле ПЭВ максимально на специальный движущийся элемент 5, например поверхности металла, а пробеги поляритонов доуголковый отражатель, осуществляющий доплеров- стигают макроскопических значений, длина затухаский сдвиг частоты излучения на незначительную ния L существенно зависит от микрорельефа повеличину (порядка 1 кГц). Сдвинутый по частоте верхности и наличия на ней инородных слоев и пленок. Так, шероховатости поверхности приводят к частичному рассеянию ПЭВ в объемное излучение и тем самым к увеличению затухания за счет до1 полнительных радиационных потерь мощности по 9 пути распространения ПЭВ. Тонкие диэлектричесI III кие пленки, в том числе прозрачные на данной длине волны, как показывает теоретический анализ, II сильно влияют на структуру поля ПЭВ и по этой 67 s Таблица 2. Значения фазовой скорости распространения ПЭВ Vph и плазменной частоты, полученp ные с помощью ПЭВ-интерферометра для некотоРис. 2. Схема гетеродинного ПЭВ-интерферометра: 1 – лазер; 2 – светоделитель; 3, 4 – поворотные рых металлов, = 10,6 мкм зеркала; 5 – уголковый отражатель; 6 – дифракционная решетка ввода ПЭВ; 7, 8 – дифракционМеталл s, см / Vph/c0, с- p ные решетки вывода ПЭВ; 9, 10 – фотодетекторы;





11 – металлический образец. I – первый световой Золото 4,0 0,63 0,999958 1,38 пучок; II – второй световой пучок, приобретающий сдвиг по частоте после прохождения элемента 5;

Медь 3,7 0,52 0,999963 1,46 III – ПЭВ.

.. причине могут значительно увеличивать диссипа- а тивные потери. Например, при наличии на поверхности высокоотражающего металла прозрачной на длине волны излучения 10,6 мкм покровной пленки с показателем преломления 1,5 и толщиной всего лишь 0,002 мкм (несколько атомных слоев) пробег ПЭВ сокращается на 10%! Эти величины хорошо иллюстрируют не только уровень требований к состоянию поверхности исследуемых с помощью l ПЭВ образцов, но и уровень чувствительности методики ПЭВ в ряду других методов спектроскопии поверхности.

d В последние годы совершен принципиальный б скачок в развитии сканирующей микроскопии сверхвысокого разрешения: созданы туннельный, атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопы, которые позволили видеть и изучать объекты малых, вплоть до атомарных, размеров. Основанные на 7 различных принципах, они содержат зонды-острия предельно малых размеров, которые с помощью пьезоэлектрических манипуляторов подводятся к поверхности объекта на близкое расстояние и пере2 9 мещаются вдоль нее с точностью до нанометров.

Микроскопы снабжены компьютеризированными системами обработки получаемой информации и в управления перемещением зонда. К микроскопам такого типа относится и сканирующий ближнепольный оптический микроскоп сверхвысокого разрешения. В нем использован нетрадиционный принцип оптического наблюдения объектов внутри известного дифракционного ограничения. Он заключается в освещении объекта через зонд-световод с выходным отверстием, диаметр которого d значительно меньше длины волны света (рис. 3, а).

2 10 При этом объект находится в непосредственной близости от зонда – в ближней зоне излучения выРис. 3. Схемы оптических ближнепольных устходного отверстия, являющегося источником второйств с регистрацией рассеянного излучения на ричных волн. Измеряемый сигнал (на просвет объпросвет (а) и на отражение (б, в): 1 – световой екта или отражение) зависит от расстояния l между пучок с длиной волны ; 2 – исследуемый объект;

3 – область ближнепольного взаимодействия:

плоскостью отверстия и исследуемой поверхностью d – диаметр излучателя, l – локальный зазор меж(l ) и при сканировании зонда несет информаду излучателем и поверхностью объекта, d, l ;

цию о рельефе поверхности или профиле диэлект4 – волоконный зонд-острие (с металлическим порической проницаемости. Разрешающая способ- крытием); 5, 6 – фотоприемники рассеянного света; 7 – стеклянная рабочая призма; 8 – тонкая меность ближнепольного микроскопа в плоскости таллическая пленка; 9 – отверстие субмикронных сканирования может достигать 105 линий/мм. Она размеров; 10 – металлизированная полусфера.

определяется в первую очередь диаметром отверстия, составляющего в некоторых системах 0,03– 0,05 мкм. Разрешающая способность по нормали к В последние годы ближнепольная оптика превраповерхности из-за специфической структуры ближ- тилась в крупное научно-техническое направление, него поля на порядок выше. Для получения регист- рассмотрение которого выходит далеко за рамки рируемого оптического отклика в качестве источни- данной статьи. Здесь же мы заметим, что, как правиков света в ближнепольных устройствах используют ло, ближнепольные осветительные и приемные лазеры (аргоновые, иногда гелий-неоновые), а в ка- оптические системы отличаются низкой энергетичестве регистраторов слабых сигналов – фотоумно- ческой эффективностью: отношение мощностей жители и другие чувствительные фотоприемники. выходного и входного сигналов составляет 10- 6–10- 4.

, ‹11, Преодолению такого недостатка может способство- нотонно нарастает с расстоянием (кривая 2), то для вать возбуждение ПЭВ в зоне ближнепольного кон- системы с полусферой наблюдается отчетливый такта с объектом. При прочих равных условиях это максимум (кривая 3), появляющийся при опредедолжно многократно повысить действующую там ленных углах падения света и его поляризации. Судя освещенность. В подтверждение сказанного рас- по всему, единственное непротиворечивое объяснесмотрим приведенные на рис. 3, б, в две иные изве- ние его возникновения связано с возбуждением светом цилиндрических поверхностных поляритонов.

стные схемы освещения объекта в ближнепольном В настоящее время идеи использования поверхноустройстве с регистрацией оптического сигнала на стных поляритонов и других электромагнитных отражение, в которых, по-видимому, возбуждаются резонансов в ближнепольной оптике находятся в ПЭВ. В обоих случаях свет вводится в прозрачную стадии интенсивной теоретической и эксперименпластину, на поверхность которой (обращенную к тальной проработки.

объекту) нанесена тонкая металлическая пленка.

Для связи с объектом в схеме на рис. 3, б используется отверстие в пленке, а в схеме на рис. 3, в – металлизированная полусфера. Оба элемента связи имеют субмикронные размеры.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.