способ и устройство для определения показателя преломления окружающей среды

Формула изобретения

1. Способ определения показателя преломления окружающей среды, включающий возбуждение в волноведущей структуре, содержащей окружающую среду, длиннопробежных поверхностных электромагнитных волн (ДПЭВ), регистрацию плоской электромагнитной волны, излученной структурой, отличающийся тем, что путем электрооптического увеличения показателя преломления подложки структуры, добиваются отсечки ДПЭВ, фиксируют значение показателя преломления подложки, соответствующее отсечке ДПЭВ, и по формуле n_i = n^*_s+n^*, где n*_s - измеренное значение показателя преломления подложки, соответствующее отсечке ДПЭВ, n^* - предварительно рассчитанное с использованием дисперсионного уравнения ПЭВ для данной структуры критическое значение показателя асимметрии структуры, соответствующее отсечке ДПЭВ, рассчитывают величину показателя преломления окружающей среды n_i.

2. Устройство для определения показателя преломления окружающей среды, содержащее источник p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования плоской электромагнитной волны в ДПЭВ, полупрозрачную металлическую пленку, фотоприемник и измерительный прибор, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит фокусирующий объектив, расположенный в окружающей среде над треком ДПЭВ перпендикулярно к плоскости падения излучения и плоскости подложки, регулируемый источник постоянного электрического напряжения, подключенный к пленке и плоскому электроду, внедренному в подложку и расположенному параллельно пленке поверхности за пределами элемента преобразования на расстоянии, превышающем глубину проникновения поля ДПЭВ в материал подложки, подложка выполнена из электрооптического материала, фотоприемник в виде линейки размещен над главной оптической осью объектива на линии пересечения фокальной плоскости и плоскости падения излучения, содержащей трек ДПЭВ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике оптико-физических измерений, а именно к способам и устройствам для определения показателя преломления окружающей среды, находящейся в жидкой или газовой фазе, по изменению характеристик поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), называемых в видимом диапазоне поверхностными плазмонами (ПП), распространяющихся в волноведущей структуре, включающей в себя окружающую среду, и может быть использовано в различных областях науки и техники, в частности в экологии для контроля физико-химических характеристик окружающей среды, от которых зависит ее показатель преломления.

Известен способ определения показателя преломления окружающей среды, включающий фотонное возбуждение ПЭВ в волноведущей структуре, в состав которой входит окружающая среда и один из слоев которой выполнен из поверхностно-активного материала (т.е. материала с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости), регистрацию отраженного излучения и измерение угла падения, соответствующего наиболее эффективному возбуждению ПЭВ в структуре, величина которого однозначно связана с величиной показателя преломления среды [1,2]. Иначе говоря, в этом способе используется однозначная взаимосвязь между показателем преломления окружающей среды и фазовой скоростью ПЭВ. Устройство, реализующее этот способ, содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, фокусирующий объектив, твердотельную призму, выполненную из оптически более плотного материала, чем окружающая среда, полупрозрачную однородную металлическую пленку, нанесенную на основание призмы, и фотоприемное устройство (ФПУ). Основным недостатком известного способа является сравнительно низкая точность измерений, составляющая примерно 10^-4.

Известен более точный способ определения показателя преломления окружающей среды, включающий возбуждение монохроматическим излучением длиннопробежной ПЭВ-моды (ДПЭВ) в волноведущей структуре, в состав которой входит окружающая среда и один из слоев которой выполнен из поверхностно-активного материала, регистрацию отраженного излучения и измерение угла падения, соответствующего наиболее эффективному возбуждению ДПЭВ в структуре, величина которого однозначно связана с показателем преломления среды [3]. Иначе говоря, в этом способе используется однозначная взаимосвязь между показателем преломления окружающей среды и фазовой скоростью ДПЭВ. Устройство, реализующее этот способ, содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, фокусирующий объектив, твердотельную призму, выполненную из оптически более плотного материала, чем окружающая среда, слой связи, выполненный из диэлектрика с показателем преломления меньше, чем показатель преломления призмы, полупрозрачную однородную металлическую пленку, нанесенную на слой связи, и ФПУ. Точность этого способа несколько выше, чем точность способа [1,2], но не превышает 10^-5

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения изменений показателя преломления газа, работа которого основана на зависимости длины распространения ДПЭВ от величины показателя преломления окружающей среды (газа) [4] . Устройство содержит источник p-поляризованного монохроматического излучения, определенной толщины полупрозрачную металлическую пленку, нанесенную на плоскую оптическую подложку, выполненную из полупроводника с показателем преломления меньше, чем показатель преломления газа, элемент преобразования плоской электромагнитной волны в ДПЭВ и элемент для обратного преобразования, ФПУ и измерительный прибор. Основным недостатком этого способа и устройства является невозможность определения значения показателя преломления среды.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения показателя преломления окружающей среды, включающем возбуждение в волноведущей структуре, содержащей окружающую среду, длиннопробежных поверхностных электромагнитных волн (ДПЭВ), регистрацию плоской электромагнитной волны, излученной структурой, добиваются отсечки ДПЭВ, путем электрооптического увеличения показателя преломления подложки структуры, фиксируют значение показателя преломления подложки, соответствующее отсечке ДПЭВ, и по формуле n_i= n^*_s+n^*, где n_s^* -измеренное значение показателя преломления подложки, соответствующее отсечке ДПЭВ, n^* - предварительно рассчитанное, с использованием дисперсионного уравнения ПЭВ для данной структуры, критическое значение показателя асимметрии структуры, соответствующее отсечке ДПЭВ, рассчитывают величину показателя преломления окружающей среды.

В устройство для определения показателя преломления окружающей среды, реализующее заявляемый способ и содержащее источник p-поляризованного монохроматического излучения, элемент преобразования плоской электромагнитной волны в ДПЭВ, полупрозрачную металлическую пленку, фотоприемник и измерительный прибор, дополнительно включены фокусирующий объектив, расположенный в окружающей среде над треком ДПЭВ перпендикулярно к плоскости падения излучения и плоскости подложки, регулируемый источник постоянного электрического напряжения, подключенный к пленке и плоскому электроду, внедренному в подложку и расположенному за пределами элемента преобразования параллельно пленке на расстоянии, превышающем глубину проникновения поля ДПЭВ в материал подложки, кроме того, подложка выполнена из электрооптического материала, фотоприемник - в виде линейки, размещенной над главной оптической осью объектива на линии пересечения фокальной плоскости и плоскости падения излучения, содержащей трек ДПЭВ.

Существенное повышение точности определения показателя преломления окружающей среды n_i при применении заявляемого способа и устройства, по сравнению с другими известными способами и устройствами, основанными на зависимости характеристик ПЭВ (или ПП) от величины n_i , объясняется возможностью точной фиксации отсечки ДПЭВ, так как она (отсечка) сопровождается излучением плоской волны, направленной из металлической пленки в окружающую среду под углом ₀ < 90^o [5,6]. Кроме того, событие отсечки ДПЭВ, при данных диэлектрической проницаемости металла _м, длине волны излучения в вакууме ₀ и толщине пленки d, определяется только величиной показателя асимметрии структуры n = n_i-n_s, , которую можно с высокой точностью регулировать, используя электрооптический эффект в материале подложки для изменения его показателя преломления n_s.

В последние годы была разработана теория распространения ПЭВ (ПП) в Д-М-Д структурах [5,6]. При этом было установлено, что в таких структурах могут существовать две неизлучающие ПЭВ-моды: ДПЭВ и КПЭВ. Причем в структуре, направляющей ДПЭВ, по достижении некоторой минимальной (критической) величины показателя асимметрии структуры n = n^*, происходит отсечка ДПЭВ. При этом поле ДПЭВ трансформируется в плоскую волну, излучаемую в оптически более плотный диэлектрик. В случае, если оптически более плотным диэлектриком является окружающая среда, то образуемая в результате отсечки ДПЭВ плоская волна излучается под углом ₀= arcsin^*₁/n_i, где ^*₁ - действительная часть эффективного показателя преломления ДПЭВ при ее отсечке.

Величина n^* определяется только параметрами пленки и излучения, возбуждающего ДПЭВ. По известным характеристикам пленки (_м и d) и излучения (₀), при некотором значении n_s (равном, например, значению n_s до воздействия на подложку электрическим полем), можно, используя дисперсионное уравнение ПЭВ, рассчитать величину n^*. Следовательно, если, при плавном увеличении показателя преломления подложки n_s, измерить его значение n_s^* в момент отсечки ДПЭВ, то можно по формуле n_i= n^*_s+n^*, определить показатель преломления другого, прилегающего к пленке, диэлектрика n_i (окружающей среды).

Заметим, что выше сказанное справедливо не только для Д-М-Д, но и для Д-М-П структур [7]. Поэтому материалом подложки для направляющей ДПЭВ металлической пленки можно выбрать и полупроводник.

На фиг.1 приведена схема устройства, позволяющего реализовать заявляемый способ, где цифрами обозначено: 1 - источник излучения; 2 - элемент преобразования объемной электромагнитной волны в поверхностную (ДПЭВ); 3 -полупрозрачная металлическая пленка; 4 -подложка, выполненная из электрооптического материала; 5 - окружающая среда; 6 - плоский электрод; 7 - регулируемый источник постоянного электрического напряжения; 8 - фокусирующий объектив; 9 - фотоприемник; 10 - измерительный прибор.

Устройство работает и способ осуществляется следующим образом. Источник 1 излучает p-поляризованное монохроматическое излучение, направляемое на элемент преобразования 2 под углом возбуждения ДПЭВ. Элемент 2 трансформирует падающее излучение в ДПЭВ, направляемую волноведущей структурой, состоящей из металлической пленки 3, подложки 4 и окружающей среды 5. Возбуждаемая ДПЭВ является нерадиационной и затухающей по экспоненциальному закону, вследствие джоулевых потерь, по мере ее распространения в структуре. Плавное увеличение по известному закону показателя преломления подложки n_s, при приложении между пленкой 3 и электродом 6 регулируемого электрического напряжения от источника 7, приводит к перераспределению поля ДПЭВ по средам структуры, точнее - к увеличению доли его энергии, переносимой в окружающей среде 5. При некотором n_s = n_s^*, зависящем от значений d, ₀,_м и n_i > n_s^* наступает отсечка ДПЭВ, т.е. ее трансформация в плоскую электромагнитную волну, излучаемую в окружающую среду 5 под углом ₀. . Плоская волна фокусируется объективом 8 на фотоприемник 9, вырабатывающий под воздействием волны электрический сигнал, регистрируемый прибором 10. Используя предварительно рассчитанное критическое значение показателя асимметрии структуры n^* и зафиксированное значение n_s^*, определяют величину показателя преломления окружающей среды n_i.

В качестве примера применения заявляемого способа, рассмотрим возможность определения величины показателя преломления воды с помощью устройства, реализующего способ. Выберем структуру, направляющую ДПЭВ, состоящей из исследуемой жидкости с неизвестным показателем преломления n_i, золотой пленки (_м = -2920+j 54,6, где j - мнимая единица) толщиной d=30,0 нм и подложки из электрооптической окиси кремния, имеющей показатель преломления n_s = 1,285000 и электрооптический коэффициент r = 1,4 10^-12 мВ [8]. Возбуждение ДПЭВ будем осуществлять излучением с ₀ = 8,0 мкм. Рассчитаем, предварительно, величину n^* для такой структуры, а также - эволюцию комплексного показателя преломления ДПЭВ = ₁+j₂ при плавном увеличении n_s вследствие эффекта Поккельса (линейного изменения величины n_s с ростом напряженности электрического поля в подложке). На фиг.2 приведены расчетные зависимости ₁ и ₂ для ДПЭВ в выбранной структуре от величины n = n_i-n_s. . Из приведенных зависимостей следует, что отсечка ДПЭВ в данной структуре имеет место при n = n^* = 0,001000. При этом ₁= ^*₁ = 1,290429, а ₂ = 0 . Глубина проникновения поля ДПЭВ в материал подложки _s при максимальном n (т.е. до создания электрического поля в подложке между пленкой и электродом) составляет 40 мкм. По мере роста напряженности электрического поля в подложке (с увеличением приложенного напряжения) n_s и _i (глубина проникновения поля ДПЭВ в жидкость) увеличиваются, а n уменьшается. При n_s = 1,290000 имеем _i_ , т. е. ДПЭВ превращается в плоскую волну, распространяющуюся в жидкости под углом ₀ < 90^o (отсчет от нормали к поверхности подложки) и фокусируемую объективом на фотоприемник-линейку. Появление электрического сигнала на выходе фотоприемника соответствует отсечке ДПЭВ. На регистрацию факта отсечки ДПЭВ не оказывают паразитного влияния фотошумы , предшествующие отсечке в результате бесконечного возрастания _i, так как фотоприемник расположен выше главной оптической оси OF и освещается только плоскими волнами, распространяющимися под углом ₀ к ней (в данном случае, учитывая, что значению n^* = 0,001000 соответствует n_i = 1,291000, имеем ₀ = 88^o30^o). Поэтому, точность измерения n_i заявляемым способом определяется главным образом погрешностью задания n_s, которая, при использовании предварительной калибровки электрооптической части устройства, может достигать 10^-6 [9].

Таким образом, точность определения показателя преломления окружающей среды n_i заявляемым способом и устройством, реализующим его, на порядок превосходит точность определения n_i известными способами и устройствами, работа которых основана на зависимости характеристик ПЭВ (или ПП) от свойств среды.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. Zang L.M, Uttamchandani D. Optical chemical sensing using the surface plasmon absorption line // Proc. SPIE, 1989, v. 1012, p. 80-85.

2. Doughery G. A compact optoelectronic instrument with a disposable sensor based on surface plasmon resonance // Measurement Science and Technology, 1993, v. 4, N 6, p. 697-699.

3. Matsubara K., Kawata S., Minami S. Multilayer system for high-precision surface-plasmon resonance sensor// Optics Letters, 1990, v. 15, N 1, p. 75-77.

4. Кассандров В.В. Никитин А.К. Устройство для измерения изменений показателя преломления газа // Патент РФ на изобретение N 2096762 (МКИ⁶ G 01 N 21/43), Бюл. N 32 от 20.11.1997 г. (Прототип).

5. Burke J. J. , Stegeman G.I., Tamir T. Surface-polariton-like waves guided by thin, lossy metal films // Phys. Rev.(B), 1986, v. 33, N 8, p. 5186-5201.

6. Кассандров В. В. , Никитин А.К., Сумита Б., Тищенко А.А. Анализ и приближенные решения дисперсионного уравнения ПЭВ в Д-М-Д структурах // Поверхность (физ.,хим.,мех), 1992, N 5, с. 90-97.

7. Головцов Н. И. , Кассандров В. В., Никитин А.К. Интерференционный спектрометр ПЭВ для исследования адсорбционных процессов // Известия ВУЗ(ов) (Физика), 1997, N 8, с. 126-127.

8. Шамбуров В.А., Влох О.Г. Электрооптический эффект в кристаллах и его применение // Радиотехника и электроника, 1964, N 3, c. 505-513.

9. Волноводная оптоэлектроника. Под ред. Т.Тамира // М.: Мир, 1991. - 574 с.