Введение к работе
Актуальность темы. Одним из современных оптических методов исследования поверхности является метод спектроскопии поверхностных плазмонов (ПП), генерируемых зондирующим излучением. При этом увеличивается эффективность и длина взаимодействия излучения с объектом, что обуславливает повышение точности и чувствительности измерений.
Терагерцовый (ТГц) диапазон электромагнитных волн, интенсивно осваиваемый в настоящее время [1], содержит линии поглощения молекул, соответствующие их колебательным и вращательным переходам. Это обусловило эффективное применение ТГц излучения в молекулярной спектроскопии.
Освоение ТГц диапазона невозможно без развития спектроскопии поверхности и тонких слоев конденсированного вещества. Эти задачи решает плаз-монная спектроскопия. Работа плазмонных фурье-спектрометров (ФС) основана на интерференции полей плазмонов и объёмных волн (ОВ). Однако интерференция ПП и ОВ не может быть описана в рамках классической теории интерференции плоских волн. Поля ПП и ОВ во многом различаются, в частности: поле ПП представляет собой экспоненциально затухающую вдоль трека и нормали к поверхности неоднородную волну, фазовая скорость ПП меньше скорости ОВ, взаимопреобразование ОВ и ПП сопровождается уменьшением интенсивности и сдвигом фазы. В связи с этим и возникла острая необходимость разработки математических моделей процесса интерференции полей ТГц ПП и ОВ, а также - алгоритма фурье-анализа плазмонных интерферограмм. Этим и объясняется актуальность темы диссертации, с точки зрения решения сверхзадачи - освоения ТГц диапазона.
Целью диссертационной работы является разработка аналитических моделей интерференции полей терагерцовых поверхностных плазмонов, а также - алгоритма фурье-анализа плазмонных интерферограмм при выполнении ТГц спектроскопии проводящей поверхности и его реализации в программных кодах ЭВМ.
Основные задачи диссертации, определяемые поставленной целью:
-
На основе предложенного метода фурье-спектроскопии проводящей поверхности ТГц диапазона разработать математические модели интерференции монохроматических и широкополосных поверхностных плазмонов при их взаимодействии с опорной объёмной волной;
-
Разработать и апробировать алгоритм фурье-анализа плазмонных интерферограмм ТГц диапазона с использованием методов компьютерного моделирования;
-
Выполнить численные эксперименты по фурье-анализу интерферограмм, формируемых при исследовании тонких слоев сульфида цинка на поверхности золота методом плазмонной спектроскопии в ТГц излучении абсолютно чёрного тела (АЧТ) и синхротрона.
Методы исследования. В работе использованы методы классической электродинамики, интерферометрии, фурье-анализа с применением алгоритма быстрого фурье-преобразования и компьютерной аподизации полученных спектров, дисперсионной фурье-спектроскопии и теории функций комплексного переменного.
Научная новизна работы состоит в том, что в ходе её выполнения:
впервые аналитически описано явление интерференции полей терагерцо-вых поверхностных плазмонов (ПП) и объёмных электромагнитных волн, что позволило заложить теоретические основы нового метода исследования проводящей поверхности в ТГц диапазоне - дисперсионной спектроскопии поверхностных плазмонов;
впервые получено аналитическое представление интерферограмм, формируемых как непосредственно ТГц ПП, так и параллельными пучками объёмных волн, одна из которых порождена ТГц ПП;
предложен и апробирован с использованием программных кодов алгоритм фурье-анализа плазмонных интерферограмм;
запатентованы интерферометрический способ определения комплексного показателя преломления ТГц ПП и способ диэлектрической спектроскопии тонких слоев в ТГц диапазоне, явившиеся основой для разработки метода фурье-спектроскопии поверхностных плазмонов. Практическую ценность работы подтверждает тот факт, что многие её результаты получены при выполнении коллективом кафедры общей физики РУДН в период с 2009 г. по 2011 г. гос. контракта №1132 (НИР №020902-2-073) по проблеме «Разработка метода лазерной интроскопии ТГц диапазона для систем мониторинга служб безопасности, таможенного, экологического и технологического контроля» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». По результатам исследований Российский университет дружбы народов награждён Золотой медалью "Innovations for investments to the future" Американо-Российского Бизнес-Союза за изобретение «Способ определения показателя преломления поверхностной электромагнитной волны ИК-области спектра» (Патент РФ №2372591), соавтором которого является и Хитров О.В.
Результаты работы могут служить теоретической основой нового направления в оптической метрологии - дисперсионной фурье-спектроскопии тонких слоев и проводящей поверхности в ТГц излучении. Созданные модели плаз-монных интерферограмм и методика их фурье-анализа могут быть использованы как в научных исследованиях, так и для программного обеспечения ТГц ПП фурье-спектрометров. Разработанные плазмонные интерферометры могут быть эффективно применены в сенсорных и зондирующих устройствах. На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Математические модели интерференции полей поверхностных плазмонов, генерируемых монохроматическим и широкополосным ТГц излучением;
-
Математическая модель интерференции параллельных пучков объёмных волн широкополосного ТГц излучения при плазменной спектроскопии проводящей поверхности;
3) Алгоритм компьютерного фурье-анализа интерферограмм в задачах плаз
менной спектроскопии ТГц диапазона;
4) Результаты численного моделирования фурье-анализа интерферограмм
при исследовании слоев сульфида цинка на поверхности золота методом
плазмонной спектроскопии в ТГц излучении АЧТ и синхротрона.
Достоверность результатов диссертационной работы обоснована непро
тиворечивостью полученных результатов, соответствием результатам экспе
риментов по генерации ТГц ПП излучением лазера на свободных электронах,
состоятельностью при описании явления интерференции паразитного объём
ного излучения, возникающего при генерации ПП методом дифракции лазер
ного луча на крае экрана, и плазмонов, направляемых поверхностью.
Обоснованность результатов диссертации подтверждается использованием строгих и апробированных математических методов исследования, согласованием положений, выносимых на защиту, с известными положениями компьютерного фурье-анализа оптических интерферограмм, публикацией материалов диссертации в 9 центральных изданиях и их обсуждением на 8 конференциях и семинарах общероссийского и международного уровней.
Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись в виде стендовых и устных докладов на следующих конференциях:
Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (г. Звенигород, 2008 г.);
V Международном конгрессе "Оптика-XXI век" (г.С.-Петербург, 2008 г.);
XIX Междунар. конф. "Лазеры в науке, технике, медицине" (г. Адлер, 2008 г.);
Всеросс. конф. «Влияние атомно-кристаллической и электронной структуры на свойства конденсированных сред» (ИФФТ РАН, г.Черноголовка, 2009 г.);
3-й международной конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (г.Суздаль, 2009);
международной конференции "Laser Applications in Life Sciences (LALS-2010)" (г.Оулу, Финляндия, 2010 г.);
Международном симпозиуме "Терагерцовое излучение: генерация и применение" (г.Новосибирск, ИЯФ СО РАН, 2010 г.);
XLVII Всероссийской конф. "Проблемы физики, физики частиц, плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники" (г.Москва, РУДН, 2011 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, из которых [1а-9а] - статьи в изданиях из списка ВАК, [16, 46] - патенты РФ на изобретения, [26,36]- заявки на изобретения.
В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит: в [1а] -разработка программного обеспечения ИК фурье-спектрометра ПАК-Б; в [2а]
- схема ТГц ПП фурье-спектрометра (ФС); в [За] - применение функций
Кравченко-Котельникова для аподизации спектров цифровых сигналов; в [4а,
5а] - программное обеспечение ИК оптоволоконого ФС; в [6а] -алгоритм и
программы для статического ТГц ПП интерферометра; в [7а] -алгоритм и про
граммы для дисперсионного ТГц ПП фурье-спектрометра; в [8а] - математи
ческая модель интерферограмм в параллельных пучках объёмных волн ши
рокополосного ТГц излучения при плазмонной спектроскопии; в [9а] - мате
матическое моделирование фурье-анализа ПП-интерферограмм при исследо
вании слоев ZnS на поверхности золота в ТГц излучении АЧТ и синхротрона.
Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Основная часть диссертации содержит 122 страницы машинописного текста, в том числе 52 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 56 наименований.
