The phenomenon of frustrated total internal reflection in a near-field interference microwave sensing.pdf Введение Явление нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) нашло очень широкое применение в спектроскопии НПВО оптического излучения [1]. Как известно, оно имеет место при проникновении излучения из среды с показателем преломления в примыкающий к ней слой среды с показателем преломления , если угол падения излучения становится большим критического угла . Глубина проникновения составляет величину порядка длины волны излучения, и наличие поглощения в слое приводит к уменьшению коэффициента отражения падающего излучения. Ослабление отраженного излучения зависит от поляризации падающей волны и показателя поглощения æ2 слоя среды с показателем преломления . Поэтому из спектров НПВО с привлечением поляризационных измерений и соотношений Крамерса - Кронига удается рассчитать æ2. Вообще, применение спектроскопии НПВО в оптическом диапазоне длин волн имеет целый ряд преимуществ по сравнению с другими методами исследования спектров отражения и поглощения, что и обусловило широкое применение этого вида спектроскопии при изучении структуры тонких пленок, адсорбционных явлений на поверхности материалов, исследовании закономерностей распространения поверхностных электромагнитных волн и т.д. В последнее время, в связи с созданием ряда достаточно эффективных источников излучения, значительный интерес начал уделяться спектроскопии НПВО терагерцового диапазона длин волн [2, 3]. Такой вид спектроскопии позволяет измерять спектры веществ с натуральными коэффициентами поглощения от 10 до 10000 см-1. Причем в данном случае эффект рассеяния в спектрах отражения отсутствует, что обеспечивает возможность исследования порошкообразных и неоднородных образцов. Принимая во внимание оценку для характерной глубины проникновения в слой экспоненциально затухающей неоднородной волны, , - длина волны, можно прийти к выводу, что она лежит в интервале значений 10-60 мкм. Данное обстоятельство означает значительно меньшее влияние поверхностных эффектов и пленок на поверхности раздела сред, чем в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Поэтому исследуемые образцы можно располагать при проведении измерений на пленках толщиной 5-10 мкм. С практической точки зрения большое значение имеет спектроскопия НПВО с использованием волн миллиметрового диапазона [4]. Способность таких волн хорошо проникать внутрь диэлектрических материалов с малыми потерями позволяет проводить эффективный контроль качества диэлектрических композитных структур. Это касается, в первую очередь, обнаружения расслоений в структурах, имеющих клеевые соединения со сложной геометрией. В свое время в целом ряде работ [5-10] были проведены подробные исследования эффекта продольного [5-8], а также и поперечного [9] смещения пучков сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения при полном внутреннем отражении [11]. В этих работах была отработана соответствующая экспериментальная база, включающая источники СВЧ-излучения, элементы (как правило прямоугольные призмы из парафина), позволяющие реализовать эффект НПВО, передающие и приемные СВЧ-антенны. Причем помимо исследования особенностей смещения пучков СВЧ-излучения в работах [9, 12], например, изучен эффект туннелирования электромагнитных волн [11] через своеобразный туннельный барьер, образованный промежутком между двумя примыкающими большими гранями друг к другу призмами. Эффект туннелирования в последующие годы привлек к себе пристальное внимание многих исследователей. В первую очередь это стимулировалось желанием найти правдоподобное объяснение так называемому «парадоксу Хартмана» при туннелировании частицей потенциального барьера [11]. Дело в том, что непосредственное решение на основе экспериментальных исследований ключевой задачи о временах туннельных переходов электронов через квантовые барьеры чрезвычайно сложно. Поэтому ряд исследователей, имея в виду формальное сходство стационарного уравнения Шрёдингера и уравнения Гельмгольца, попытались найти ответ на основе исследования классических эффектов туннелирования электромагнитных волн через макроскопические фотонные барьеры [11]. Следует отметить, что результаты проведенных исследований встретили как поддержку, так и достаточно суровую критику. Оживленные дискуссии продолжаются и по сей день. В то же время определенная ценность этих исследований связана, во-первых, с достаточно тщательной отработкой экспериментальной базы, а во-вторых, с возможностью использования имеющих место физических процессов для решения совершенно иного круга проблем. Целью настоящей работы является разработка и экспериментальная проверка принципиально новой концепции исследования свойств материалов, объектов и сред, базирующейся на явлении НПВО при ближнепольном интерференционном СВЧ-зондировании. Традиционный подход к созданию ближнепольного сверхвысокочастотного микроскопа Рис. 1. Схема сканирующего ближнепольного сверхвысокочастотного микроскопа [13] Примером практического приложения явления НПВО в СВЧ-диапазоне явилась работа [13], в которой было предложено схемное решение ближнепольного СВЧ-микроскопа. В этой работе было проведено экспериментальное исследование на установке, схематически изображенной на рис. 1. Это сканирующий ближнепольный сверхвысокочастотный микроскоп для отображения распределения интенсивности эванесцентных мод, генерируемых на длине волны см. Элементы схемы: Т - передатчик; - угол падения; OL - оптическая линза; P - сигнальный зонд; R - приемник; OSC - цифровой осциллограф; SMs_CB - контрольная панель шаговых двигателей; PC - персональный компьютер; SM1, SM2 - шаговые двигатели 1, 2; Z-S - винт для перемещения в направлении оси Z; X-Y stage - X-Y-платформа. Установка содержала сканирующий ближнепольный микроскоп и устройство для возбуждения эванесцентной моды на поверхности большой грани прямоугольной призмы из воска ( ). Возбуждение моды производилось с помощью пучка когерентного СВЧ-излучения, испытывающего полное внутреннее отражение от упомянутой грани призмы (рис. 1). Источник излучения был выполнен на основе диода Ганна и обеспечивал на выходе 15 мВт когерентного линейно-поляризованного излучения на длине волны см. При этом диод Ганна размещался в полости резонатора, настроенного на резонансную частоту 10.525 ГГц. Для создания направленного излучения к резонатору подключался СВЧ-рупор. Приемная система включала в свой состав СВЧ-рупор, идентичный по структуре передающему рупору, а также диод Шоттки, размещенный в резонансной полости, настроенной на частоту 10.525 ГГц. Сканирование в микроскопе осуществлялось с использованием сканера автономного типа, чем обеспечивалось перемещение зонда вдоль всего неподвижного исследуемого образца или только вдоль фрагментов образцов больших размеров. Важно подчеркнуть, что при этом конфигурация всей системы возбуждения эванесцентной моды сохранялась неизменной. В конструкции сканера были использованы два шаговых двигателя, обеспечивающих перемещение зонда в плоскости X-Y. Положение зонда контролировалось с использованием карты управления шаговыми двигателями и компьютера. Роль зонда играла металлическая сфера радиусом 3 мм. Сфера действует как рассеиватель эванесцентного поля. В результате интерференции эванесцентной моды над гранью призмы и рассеянного сферой эванесцентного поля происходит формирование действительного интерференционного потока энергии, следы которого можно обнаружить и в дальнем поле с помощью приемной системы. Детали, связанные с условиями формирования подобных потоков энергии, достаточно подробно обсуждены, например, в [14, 15]. Требуемое расстояние между поверхностью грани призмы и зондом устанавливали с использованием микрометра. Визуальный контроль величины этого расстояния осуществляли с помощью линзы. Регистрация сигнала производилась в режиме сохранения расстояния постоянным. Поскольку при растровом сканировании зонд перемещается по образцу, самый его конец слегка касается поверхности, создающей силы трения между зондом и образцом. Чтобы уменьшить силы трения, зонд был помещен на конце листовой пружины или «кантилевера», который изготавливался из акрилового материала. Как следствие, когда зонд находится в контакте с поверхностью, кантилевер испытывает вертикальные отклонения, что позволяет устройству сканировать локальные высоты образца до размера порядка . Наконец, сигнал отправляется на цифровой осциллограф OSC, после чего производится цифровая обработка с использованием специализированной компьютерной программы, которая также обеспечивает возможность позиционирования зонда в плоскости X-Y и контроль скорости сканирования. Скорость сканирования в основном ограничена количеством собранных данных в каждой отдельной отображаемой точке. Типичное количество этих данных (5000), обеспечивает достаточно высокое отношение сигнал/шум в обнаруженном сигнале. Разрешение шаговых двигателей составляет 0.125 см для каждого шага или эквивалентного элемента изображения (пикселя). Особенности и возможности ближнепольного интерференционного сверхвысокочастотного зондирования Примененные в [12, 13] конструктивные решения были частично использованы нами. Основными элементами разработанного макета ближнепольного интерференционного СВЧ-микроскопа являются две прямоугольные призмы 1 и 2, обращенные большими гранями друг к другу с образованием промежутка порядка длины волны СВЧ-излучения между этими гранями (рис. 2, а). Призмы изготовлены из парафина, а исследуемый плоский объект 3 помещается в промежуток между этими гранями. СВЧ-излучение от генератора подводится к делителю мощности, а затем к двум активным зондам 4 и 5, причем зонд 5 может размещаться также в позиции 5 (рис. 2, а) и в его цепь дополнительно включен фазовращатель. Таким образом, реализуется активное облучение объекта двумя зондами, относительное положение которых может меняться, может изменяться также и разность фаз когерентных монохроматических колебаний, поступающих на входы зондов. При падении электромагнитного излучения на большие грани призм под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения, в промежутке между гранями призм будет иметь место наложение встречных эванесцентных волн, интерференция которых приведет к образованию действительного потока электромагнитной энергии. При этом параметрами данного потока можно эффективно управлять за счет изменения разности фаз колебаний, поступающих на входы зондов. Вообще говоря, в состав макета входит еще приемная система 6. Однако в данной статье суждения об объекте выносятся на основе измерения с помощью макета параметра (более конкретно - коэффициента отражения от входа делителя мощности). Особенно удобно оценивать качество объекта на основе сопоставления результатов измерения параметра , соответствующего объекту без дефекта и объекту с дефектом (дефектами). Рис. 2. Схемное решение (а) и использованные отдельные конструктивные элементы при зондировании одним активным зондом (б) и двумя активными зондами (в) На рис. 2 представлены две схемы эксперимента с использованием одного активного зонда и одной призмы (б) и двух призм и двух активных зондов (в). Объекты исследования: металлизированные полоски с зазорами в 2, 3 и 4 мм между ними. Эти полоски помещались либо на грани уединенной призмы (рис. 2, б), либо в промежутке между гранями двух призм (рис. 2, в) и производились измерения параметра . Далее осуществлялись измерения этого же параметра при замене полосок с зазорами на сплошные и последующая нормировка. Поведение нормированного описанным способом параметра в широком частотном диапазоне представлено на рис. 3. Рис. 3. Иллюстрация зависимости параметра от примененной системы зондирования: а) система зондирования с одним зондом; б) система зондирования с двумя зондами Отчетливо видно, что при использовании системы зондирования, изображенной на рис. 2, б, можно выделить лишь одну частотную область, в которой наблюдается изменение сигнала в зависимости от ширины зазора между полосками (рис. 4), тогда как вторая система (рис. 2, в) обеспечивает уверенное выделение трех таких областей (рис. 5, 6, 7). Таким образом, даже в таком варианте проведения эксперимента (не используется приемная система 6) предлагаемый микроскоп имеет преимущества, по крайней мере, за счет возможности проведения зондирования в нескольких частотных интервалах. Рис. 4. Поведение параметра в частотном диапазоне от 3.5 до 5.5 ГГц Рис. 5. Поведение параметра в частотном диапазоне от 1.2 до 2.7 ГГц Рис. 6. Поведение параметра в частотном диапазоне от 3.3 до 4.5 ГГц Рис. 7. Поведение параметра в частотном диапазоне от 6.5 до 6.9 ГГц Заключение Явление нарушенного полного внутреннего отражения положено в основу схемного решения ближнепольного интерференционного сверхвысокочастотного микроскопа. В таком микроскопе диагностика исследуемого плоского объекта производится после его размещения в промежутке между обращенными друг к другу большими гранями прямоугольных диэлектрических призм. Характерной особенностью диагностики является то, что она осуществляется в перекрывающихся эванесцентных полях, порождаемых над большими гранями призм двумя активными зондами в условиях нарушенного полного внутреннего отражения излучения зондов. Сверхвысокочастотные монохроматические электромагнитные колебания подаются на входы указанных зондов через делитель мощности и через включенный в цепь одного из зондов фазовращатель. Это позволяет реализовать процедуру гибкого управления структурой интерференционных потоков энергии в промежутке между большими гранями призм и, в конечном итоге, достичь улучшения чувствительности и разрешающей способности предложенного интерференционного микроскопа.

Скачать электронную версию публикации