Фазовая спектроскопия поверхностных электромагнитных волн

ФАЗОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Амплитуда поля поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) максимальна на границе раздела сред и убывает при удалении от границы. Распределение ПЭВ вдоль границы раздела описывается эффективным показателем преломления ПЭВ [1] кхс

Хх = — '                                      ™ где к - волновой вектор ПЭВ; ш - круговая частота. Для границы раздела вакуум - среда с диэлектрической проницаемостью £ эффективный показатель преломления определяется формулой [1]

При комплексной диэлектрической проницаемости величина х_х также комплексна. Мнимая часть ее обусловливает пространственное затухание ПЭВ и может быть определена по изменению интенсивности с расстоянием, пройденным ПЭВ (амплитудная спектроскопия). Для определения действитель ной части эффективного показателя преломления (фазовая спектроскопия ПЭВ) могут быть использованы интерференционные измерения [2,3].

На рис. 1 дана схема такого эксперимента с призменным возбуждением ПЭВ. На зазоре между образцом и экраном ПЭВ частично преобразуется в объемное излучение. Оставшаяся часть ПЭВ на краю образца также превращается в объемное излучение. Эти два пучка интерферируют между собой.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. Вверху - интерференционные измерения, внизу - измерение коэффициента поглощения ПЭВ двухпризменным методом

Условие интерференционного максимума в точке z можно записать следующим образом [3]:

aRexx + /b2+z~ - /(a+b)2 +z2 = (m+Aj/v,                              (3)

где a - расстояние от экрана до края образца;

b - расстояние от края образца до плоскости наблюдения;

m - целое для максимумов (для минимумов - полуцелое);

v = ш/2пс - линейная частота (волновое число) .

Величина Д введена для учета возможного сдвига ной и ПЭВ.

На рис. 2 приведены зависимости интенсивности от z, полученные при перемещении пироэлектрического приемника с постоянной скоростью. По положению интерференционных экстремумов можно определить действительную часть эффективного показателя преломления либо графически [3,4], либо методом наименьших квадратов (по формуле (3)) с использованием ЭВМ. Если при этом известен и коэффициент поглощения ПЭВ (из измерений зависимости интенсивности ПЭВ от расстояния), то можно определить Диэлектрическую проницаемость образца. Для меди и ванадия такие измерения были сделаны = [4,5].

фаз между объемной вол-

I отн. ед.

Рис. 2. Интерферограммы для разных значений а.

Образец - медь

При наличии тонких пленок на поверхности металла уравнение дисперсии ПЭВ (2) усложняется [1]. При этом хх зависит от толщины и свойств пленки. Решая обратную задачу, по измеренным значениям действительной и мнимой части эффективного показателя преломления ПЭВ можно определить параметры пленки. В [б, 7] исследовались окисные пленки на меди и алюминии. На рисунках 3, 4 приведены частотные зависимости длины пробега ПЭВ L = 1/4тгу1тхх и величина 2(хх~1) Для естественной окисной пленки на алюминии (кривая 1) и для окислов, полученных после прогрева образца при 250°С в течение 5 мин (кривая 2) и при 370°С в течение 20 мин (кривая 3). Кривые - расчет, в котором единственным варьируемым параметром были толщины окисного слоя, толщина возросла в 2,5 раза после максимального теплового воздействия.

Рис. 3. Частотные зависимости действительной части эффективного показателя преломления ПЭВ на алюминии с термически выращенными окисными пленками

Рис. 4. Частотные зависимости длины пробега ПЭВ по алюминию с термически выращенными окисными пленками

(см. рис, 3)

Регистрация интерференционной картины с линейным перемещением приемника (рис. 1) удобна только при изучении хорошо проводящих металлов. При увеличении поглощения ПЭВ уменьшаются расстояния а, при которых можно получить удовлетворительную интерференционную картину. Это приводит к увеличению расстояния между экстремумами. С другой стороны, из-за уменьшения высоты локализации поля ПЭВ над образцом расширяются диаграммы направленности интерферирующих объемных волн, В этом случае более удобным оказывается угловое сканирование (перемещение приемника по дуге окружности). Схема эксперимента показана на рис. 5. В этом случае используется апертурное возбуждение ПЭВ [8] на зазоре между поверхностью образца и экраном (лезвием бритвы).

Рис, 5, Схема экспериментальной установки с угловым сканированием. Вверху — интерферограммы для кристаллического кварца, полученные на разных частотах

В рассматриваемой геометрии при а~т /\> много меньше радиуса дуги, по которой перемещается приемник

Хх ^ cos ®m + m/va'                                                 (4)

ГДе ®m - Ужовые положения интерференционных экстремумов.

При сильном поглощении ПЭВ измерение его величины обычными методами оказывается довольно сложной задачей [5,9]. С другой стороны, распределение интенсивности в интерферограмме содержит информацию и о коэффициенте поглощения ПЭВ. Согласно [7], / /I + /г- \ a/2L + А(0) = In ---^^-----!-^  ,                              (5)

\ /I -      . /

• • max min

где I и I . определяются по огибающим максимумов и минимумов интер-max min ферограммы, а величина А(0) не зависит от а. Измерив интерферограммы Для разных расстояний а, можно, используя формулу (5), определить длину пробега ПЭВ, то есть определить из интерферограмм как действительную, так и мнимую часть хх-

На рис. 6 приведены частотные зависимости действительной части эффективного показателя преломления ПЭВ (дисперсия ПЭВ) кристаллического кварца для различных направлений распространения ПЭВ относительно оптической оси (анизотропия) [Ю]. Нанесение тонких пленок на поверхность кварца приводило к изменению дисперсии; при этом пленки с положительной

(x'-l)-Юа

Рис» 6. Частотные зависимости действительной части эффективного показателя преломления ПЭВ для кристаллического кварца при различных ориентациях оптической оси.

• Кривая 1 - для С II х.

Кривая 2 - для С I I у и С I I z (оси координат см. на рис. 5)

диэлектрической проницаемостью увеличили значение В®Хх, а пленки с отрицательной диэлектрической проницаемостью (металла) уменьшили его [11] .

Для высокотемпературных сверхпроводников УВа2 Сиз07_^ проводимость при комнатной температуре примерно на два порядка хуже, чем для хорошо проводящих металлов, поэтому затухание ПЭВ велико, и мы использовали схему эксперимента, показанную на рис. 5, для изучения распространения ПЭВ по различным образцам такого состава. Исследовались керамические образцы [12], монокристаллы [13] и пленки, нанесенные на титанат стронция. Для монокристаллов в десятимикронном диапазоне получено значение комплексной диэлектрической проницаемости е а -45+901.

Все перечисленные результаты получены с использованием лазерного источника излучения (С02-лазер с перестройкой в области 930-1080 см-1)-В [14] с использованием Фурье-спектрометра интерференционные измерения выполнены в широком спектральном интервале (700-2500 см-1) для пленки серебра.