Способ регулирования интенсивности инфракрасной поверхностной электромагнитной волны на плоскогранной структуре

Способ регулирования интенсивности инфракрасной поверхностной электромагнитной волны на плоскогранной структуре

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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).

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.

Технический результат изобретения направлен на обеспечение возможности оперативного регулирования интенсивности ИК ПЭВ и на снижение трудозатрат для реализации такого процесса.

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.

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.

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".

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.

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.

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:

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).

Тогда интенсивность вторичной ПЭВ I, порожденной дифрагированной объемной волной на ребре структуры 2, определяется выражением:

где I₀ - интенсивность ПЭВ на крае (ребре) структуры 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.

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.

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.

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.