Разработка и исследование методов и средств спектрометрии, лазерной спектроскопии и интерферометрии на основе поверхностных плазмон-поляритонов

Данная НИР выполняется по пяти основным направлениям: 1) разработка макета интерферометра для двухканального ИК фурье-спектрометра; 2) разработка ППП спектрометров и интерферометров ИК и ТГц диапазонов; 3) повышения разрешения ТГц изображения, полученного методом фантомного видения (ghost imaging); 4) акустооптическая модуляция и фильтрация монохроматического ТГц излучения; 5) исследование эффектов поверхностных плазмонов в субволновых дифракционных решетках и в фильтрах НПВО. В результате выполненных исследований достигнуты следующие результаты. По направлению №1. Разработан и изготовлен действующий макет для исследования и отладки электроники и программного обеспечения двухканального фурье-спектрометра среднего инфракрасного диапазона. Изготовлены, исследованы и отлажены электронные узлы этого ИК фурье-спектрометра, разработано его программное обеспечение, изготовлены его механические и оптические детали. Рассмотрен и исследован один из видов ошибок (погрешностей) в определении оптической разности хода в регистрируемой интерферограмме, нарушающий эквидистантность точек её регистрации. Посредством математического моделирования оценены требования к величине этих погрешностей. Исследовано поведение паразитных «духов», соответствующих разным частотам спектра. По направлению №2. Экспериментально подтверждена возможность расщепления пучка поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) в области частот 1.2÷3 ТГц плоской полиимидной (каптоновой) пластинкой субмиллиметровой толщины. С использованием излучения лазера на свободных электронах апробирован разработанный ранее способ загоризонтной локации объектов на проводящей поверхности с помощью ТГц ППП. Разработан плазмонполяритонный интерферометр Майкельсона ТГц диапазона и аналитическая модель получаемых в нём интерферограмм. Запатентованы три способа контроля плоских граней металлических и полупроводниковых изделий с помощью ТГц ППП. Разработана аналитическая модель интерферограммы, получаемой в интерферометре Майкельсона абсорбционного ТГц ППП фурье-спектрометра. Установлено, что максимумы излучения, соответствующие вкладу термостимулированных поверхностных плазмон-поляритонов (ТППП) с края грани проводящего образца, разделены в пространстве в зависимости от спектрального диапазона: более коротковолновая часть спектра ТППП излучается под меньшими углами к поверхности грани, чем длинноволновая часть. Из этого факта следует, что край плоской грани является для ТППП диспергирующим элементом. По направлению №3. Показано, что применением метода фантомного видения (ФВ) в ППП-микроскопии можно повысить её латеральное разрешение. Метод ФВ адаптирован к оптической схеме плазмон-поляритонного микроскопа. Установлено, что применение метода ФВ в ППП-микроскопии позволяет устранить паразитную засветку от переизлученных ППП путём отсечки некоррелированных с модулированным светом случайных составляющих отражённого излучения. Подтверждено, что реализация классического способа метода ФВ возможна и в ТГц диапазоне. Численным моделированием показано, что ФВ устойчиво к многим видам аберраций и несовершенств оптических систем, таких как смещения волнового фронта, низкая чувствительность приёмников и наличие шума. По направлению №4. Экспериментально установлено, что наиболее глубокая акустооптическая (АО) модуляция в сжиженном элегазе достигается при температуре +10°C, а повышение частоты ультразвука от 200 до 500 кГц при температуре +20°C приводит к уменьшению глубины модуляции в 100 раз. Исследованы характеристики АО фильтра на основе гексана для ТГц излучения лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Подготовлена конструкторская документация на стенд для АО модуляции ТГц излучения в сжиженном газе с использованием системы охлаждения. Экспериментально исследована АО модуляция ТГц излучения ЛСЭ в сжиженном элегазе при температурах ниже комнатной с ис- пользованием изготовленного стенда. Разработан управляемый ультразвуком поляризатор ТГц излучения на основе селективного поглощения излучения взвешенными в прозрачной жидкости и упорядоченными стоячей ультразвуковой волной углеродными нанотрубками. По направлению №5. Обнаружены положительные и отрицательные боковые сдвиги пучка видимого излучения, падающего на субволновые дифракционные решётки под углом генерации в них поверхностных плазмонов. Установлено, что боковое смещение пучка при этом порядка ширины пучка. Исследовано влияние изменения глубины решетки и ширины падающего пучка на эффект Гуса-Хенхена в условиях плазмонного резонанса. Показано, что падающий монохроматический пучок расщепляется в результате взаимодействия с решёткой на три пучка. Предложен новый НПВО фильтр, основанный на сочетании фотонных и плазмонных эффектов, приводящих к сужению полосы пропускания и преобразованию спектра пропускания. Продемонстрировано разделение полосы пропускания фильтра на три узкополосные спектральные линии при конкретном угле падения.