Фурье-анализ интерферограмм в задачах плазмонной спектроскопии проводящей поверхности в терагерцовом диапазоне

• Автор: Хитров, Олег Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

ГЛАВА 1. ИНФРАКРАСНАЯ ФУРЬЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ ОБЪЁМНЫХ
ОБРАЗЦОВ
§1.1. Основы фурье-спектрометрии,
восстановление спектра из интерферограммы
§1.2. Регистрация интерферограмм
§1.3. Аппаратная функция, функция аподизации и
разрешающая способность фурье-спектрометров
§1.4. Весовые функции Кравченко-Котельникова
для аподизации интерферограмм
§1.5. Амплитудно-фазовая фурье-спектроскопия
ГЛАВА 2. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПЛАЗМОНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ТОНКИХ СЛОЁВ
§2.1. Природа поверхностных плазмонов
и зависимость их характеристик от частоты
§2.2. Дисперсионное уравнение поверхностных плазмонов в структуре “металл
поглощающий слой - окружающая среда”
§2.3. Регулирование поглощения поверхностных плазмонов
тонкоплёночным покрытием
Основные результаты исследований, описанных в Главе II
ГЛАВА 3. ФУРЬЕ-АНАЛИЗ ИНТЕРФЕРОГРАММ В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ПУЧКАХ ОБЪЁМНЫХ ВОЛН ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ДИСПЕРСИОННОЙ
ПЛАЗМОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ
§3.1. Плазмонная ДФС в импульсном излучении
§3.2. Плазмонная ДФС в непрерывном излучении
§3.3. Плазмонный ТГц интерферометр с регистрацией картины в параллельных
пучках объёмных волн
§3.4. Дисперсионный плазмонный фурье-спектрометр
§3.5. Теоретическое обоснование метода
§3.6. Численное моделирование
Основные результаты исследований, описанных в Главе III
ГЛАВА 4. ФУРЬЕ-АНАЛИЗ ИНТЕРФЕРОГРАММ, ПОЛУЧАЕМЫХ В СХОДЯЩИХСЯ ПУЧКАХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОНОВ
ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА
§4.1. Статическая интерферометрия поверхностных плазмонов
ИК-диапазона и схемы плазмонных интерферометров
§4.2. Модель монохроматической плазмонной интерферограммы и методика её
обработки
§4.3. Численное моделирование работы плазмонного интерферометра ТГц
диапазона
§4.4. Инфракрасная плазмонная фурье-интерферометрия
Основные результаты исследований, описанных в Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

Оптические методы исследования поверхности твёрдого тела широко применяются в современных нанотехнологиях микроэлектроники, интегральной оптики, лазерной техники, в поверхностном катализе, биологии и медицине. К таким методам относятся оптическая микроскопия, спектроскопия, интерферометрия, эллипсометрия, рефрактометрия и др. Основными достоинствами перечисленных методов являются их бесконтактность, незначительное энергетическое воздействие на объект исследований, возможность применения в естественных условиях, электро- и взрывобезопас-ность, сравнительная простота реализации. Однако оптические методы не всегда отвечают требованиям современных технологий и уровню выполняемых научных исследований. Необходимо всё больше повышать их точность, чувствительность, разрешение, информативность и сокращать время измерений.
Одним из современных оптических методов исследования поверхности твёрдого тела является метод поверхностных плазмонов (1111), генерируемых зондирующим излучением на поверхности образца. В этом методе 1111, возбуждаемые резонансным образом, являются посредником между излучением и объектом исследований. В результате этого увеличивается эффективность и длина взаимодействия излучения с объектом (самой поверхностью образца или её переходным слоем), что обуславливает повышение точности и чувствительности измерений. Наиболее продуктивной областью применения ПП в оптических измерениях является лазерная инфракрасная (ИК) спектроскопия сверхтонких (толщиной от 1 нм до 100 нм) слоёв на поверхности, когда расстояние взаимодействия излучения со слоем достигает 103 и более длин волн X.
Новые возможности для метода ПП-спектроскопии открылись с созданием синхротронов (источников широкополосного излучения спектром, простирающимся вплоть до дальнего ИК-диапазона) и лазеров на свобод-

ных электронах - плавно перестраиваемых от ультрафиолетового до суб-миллиметрового диапазона источников мощного монохроматического излучения. Наибольший интерес, с точки зрения молекулярной спектроскопии, представляет терагерцовый (ТГц) диапазон (к от 3 мкм до 300 мкм, что соответствует частотам от 100 ТГц до 1 ТГц или волновым числам от 3000 см'1 до 30 см'1), поскольку именно в нём находятся линии поглощения молекул, соответствующие их колебательным и/или вращательным переходам.
Однако на ТГц частотах толщина переходного слоя много меньше Я и, поэтому, такие известные методы оптического зондирования как отражательно-абсорбционная спектроскопия и эллипсометрия имеют неприемлемо низкую чувствительность. При опосредовании же взаимодействия излучения и исследуемого слоя поверхностными плазмонами, чувствительность измерений многократно возрастает.
Актуальность разработки метода плазмонной интерферометрии ИК-области спектра обусловлена следующими обстоятельствами: 1) отсутствием иных оптических методов исследования тонких слоев на поверхности металлов в ТГц диапазоне вследствие большой величины коэффициента отражения последних на этих частотах; в то время как характеристики ПП чувствительны к свойствам металлической поверхности и её переходного слоя и в ТГц диапазоне; 2) интенсивным освоением ТГц излучения, являющимся неионизирующим и сравнительно глубоко проникающим в материалы органического происхождения; 3) бурным развитием импульсной лазерной техники, позволяющей изучать в ТГц диапазоне процессы с временным разрешением, близким к фемтосекундному.
Как за рубежом, так и в нашей стране проводятся интенсивные исследования по применению ТГц ПП в коммуникационных системах и сенсорных устройствах [1], что обусловлено как их малым затуханием, так и близостью скорости их распространения к скорости света в окружающей среде

ГЛАВА 2. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПЛАЗМОНЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ТОНКИХ СЛОЁВ
В 1957 году американский физик Ритчи, основываясь на электронной теории проводимости металлов Друде, рассматривающей металл как электронно-ионную плазму, установил, что в оптическом диапазоне на поверхности проводников могут существовать коллективные колебания свободных электронов, связанные с неоднородной электромагнитной волной, которые были названы поверхностными плазмонами (ПП). ПП относят к классу поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), поле которых локализовано у поверхности твёрдого тела [17].
Впервые ПП были применены для оптических измерений в 1968 году, когда немецкий физик А. Отто, методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) по величине угла возбуждения ПП определил оптические постоянные серебра в видимой области спектра [18].
Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований 1111 отражено в работах [2, 19].
В данной главе рассмотрена природа ПП, определены их основные характеристики, рассмотрена зависимость характеристик 1111 от частоты излучения в интервале от видимого до дальнего ИК-диапазона. Объяснены причины высокой чувствительности характеристик ПП к внешним воздействиям (приводящим к вариациям свойств переходного слоя образца или показателя преломления окружающей среды). Особое внимание уделено применению 1111 в спектроскопии проводящей поверхности и её переходного слоя.
§2.1. Природа поверхностных плазмонов и зависимость их характеристик от частоты
Поверхностные плазмоны (ПП) представляют собой распространяющееся вдоль поверхности связанное образование волны свободных электронов