Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://phys.msu.su/upload/iblock/79c/02-3-65.pdf Дата изменения: Thu Sep 11 23:48:14 2008 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:18:50 2012 Кодировка: Windows-1251

Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2003. 6

65

КРАТКИЕ

СООБЩЕНИЯ

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ
У ДК 535.41

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНЫ И АСИММЕТРИЧНЫЕ СПЕКЛЫ
Ю.В. Васильев, А.В. Козарь, Е.Ф. Курицына, А.Е. Лукьянов
(кафедра общей физики, кафедра радиофизики,
кафедра физической электроники)

Экспериментально обнаружено возникновение односторонне ориентированных асимметричных спеклов при освещении анизотропной поверхности металлической грани сфокусированным лазерным пучком. Это объясняется одновременным резонансным возбуждением двух мод попарно связанных поверхностных плазмон-поляритонов. Одна мода возбуждается на волнистой поверхности полубесконечной металлической отражательной дифракционной решетки с глубоким хаотическим профилем, другая на макроскопически прямом крае решетки, который перпендикулярен канавкам профиля решетки.
В работе [l] показано, что узкая металлическая полоска с анизотропно шероховатой поверхностью, которую освещает пучок лазерного излучения, диффузно рассеивает излучение и формирует на удаленном экране пятнистую дифракционную картину (спеклы). Самый яркий фрагмент картины структурирован, так как анизотропно шероховатая полоска действует как линейная хаотическая отражательная дифракционная решетка с неидеальными штрихами. Апертура пучка влияет на минимальный масштаб дискретизации картины согласно параметрам информационных ячеек Габора [2]. Высокая информационная чувствительность картин спеклов помогает анализировать сложные ситуации в лазерном эксперименте, когда одновременно несколько физических механизмов ответственны за формирование результирующего оптического поля с богатым набором пространственных частот [3]. Бесконечная идеально гофрированная металлическая поверхность действует как линейная решетка и отражает в разные дифракционные порядспектр ки электромагнитные волны падающего лазерного излучения частоты та ния на полубесконечной хаотически гофрированной шероховатой металлической поверхности, прямой край которой локально освещен сфокусированным пучком линейно поляризованного излучения. Принципиальная оптическая схема эксперименна голографической генерирует измерительной пучок установке УИГ-22М показана на рис. 1. Аргоновый лазер типа ЛГН-503 излучения с длиной волны ный диаметр пучка

= 514:5 нм (эффективD = 2:5 мм, пространственная

гауссов

когерентного

!

.

Пространственный

дифрагированного излучения претерпевает изменения при лазерном возбуждении на решетке поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) [47]. Слабая статистическая шероховатость поверхности усложняет как поведение ППП, так и рассеяние излучения решеткой [8]. Вызывает интерес формирование картины спеклов при лазерном освещении сильно шероховатой, механически рифленой металлической поверхности с макроскопически прямым краем, который перпендикулярен канавкам на поверхности металла. Цель работы экспериментальное исследование краевых эффектов при рассеянии лазерного излучеРис. 1. Принципиальная оптическая схема эксперимен-

та:

1



лазер,

2



лазерный

пучок,

3



тонкая

сферическая линза, 4 ось сфокусированного лазерного пучка, 5 плоскость освещенной поверхности пластины лезвия безопасной бритвы, 6 фрагмент поперечного сечения пластины лезвия у основания режущей кромки,
7 плоскость освещенной поверхности первой грани

режущей кромки лезвия (угол наклона к плоскости пластины составляет го зеркального отражения грани, 9 фотографическая рамка голографической установки



5 ), 8 направление френелевско-


66

Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2003. 6

мода TEM

00

). Собирающая сферическая линза с

фокусным расстоянием 42 см уменьшает диаметр пучка до эффективной величины фокальной плоскости линзы [9]. Ось сфокусированного пучка перпендикулярна плоской поверхности металлической пластины (лезвие безопасной бритвы шириной 22 мм), которая совмещена с фокальной плоскостью линзы. Поверхность первой грани режущей кромки образует угол пластины лезвия 5 грани (в 37 дальнейшем мм, с грани) ширина при

d 0:05

мм в

b 0:3
пучка

(длина



по отношению к поверхности средняя

мм). Поверхности грани и пластины лезвия сторонами клина тупым углом

являются

вершине. Макроскопически прямой край грани (вертикальное ребро клина) расположен вдоль диаметра

d

.

Ребро

клина

направлено

декартовой системы координат лежит в плоскости грани, а ось этой плоскости. Пучок лом

вдоль оси x xyz , ось y которой z перпендикулярна

s

-поляризованного излучения падает на

поверхность грани в плоскости

вого вектора падающего излучения на плоскости



yz

под малым уг-

. Тангенциальная составляющая волноориентирована вдоль оси где

kt ) kt !=c ,
грани (

c

y

, величина

скорость света в вакууме. Из-

лучение, рассеянное вблизи направления френелевского зеркального отражения грани, регистрируется на расстоянии

L=

1 м на плоском листе фотобуРис. 2. Негативное изображение картины спеклов, по-

маги, укрепленном в фотографической рамке голографической установки с входным окном 9 (длинная сторона окна вертикальна). Типичный пример картины спеклов на листе фотобумаги в негативном изображении показан на рис. 2. Малые темные пятна, хаотически разбросанные по листу, это обычные спеклы от шероховатой поверхности лезвия в апертуре освещающего пучка [10]. Вертикальная статистически симметричная полоса (в оригинале шириной около 1.5 см) это изображение кластерной спекл-структуры [1]. Новое в картине спеклов односторонне ориентированные асимметричные спеклы, которые имеют вид горизонтальных узких диффузных полосок справа от кластерной спекл-структуры. Физическая причина возникновения асимметричных спеклов возбуждение ППП на поверхности грани и на прямом крае грани. Поверхность грани, образованная в процессе изготовления речном бритвы, при заточке лезвия в попес направлении абразивным инструментом 12 см

лученной при освещении сфокусированным лазерным пучком ребра и двух сторон поверхности клина (с тупым углом при вершине) у основания режущей кромки лезвия безопасной бритвы

Рис. 3. Микрофотография фрагмента поверхности двух

сторон клина (с тупым углом при вершине) у основания режущей кромки лезвия безопасной бритвы

крупным зерном приобретает особые свойства. На микрофотографии (рис. 3), полученной в растровом электронном микроскопе JSM-U3 на площади обзора 0 3

на рис. 3 это длинные, глубокие бороздки на поверхности грани со средней глубиной Склоны бороздок крутые, часто обрывистые. Между глубокими бороздками расположены площадки поверхности грани, на которых процарапаны длинные мелкие канавки с пологими склонами. Пространственный спектр двумерного рельефа

:

0 3 мм, хорошо виден фрагмент исходной

:

z

.

шероховатой поверхности пластины (слева) и грубой, сильно анизотропной шероховатой поверхности грани (справа). Рифленая поверхность грани профилирована хаотично и негладко. Черные горизонтальные полоски

поверхности грани содержит фурье-составляющие


Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2003. 6

67

как

с

низкими

плоскости грани, частотами,

поненты спектра определяют радиационную отражательную дифракцию и приводят к формированию обычных поверхностных спеклов и кластерной спекл-структуры, представленной на рис. 2. Высокочастотные фурье-компоненты спектра поверхности могут обеспечить выполнение условий для возбуждения падающим лазерным излучением с тангенциальной составляющей волнового вектора вым вектором На решетке нерадиационных ППП с большим по модулю волносинусоидального

gx y !=c , так и g !=c . Низкочастотные
,

пространственными

частотами

в

Нерадиационные

ППП

при

взаимодействии

с

с высокими фурье-ком-

решеткой, для которой волновой вектор обратной решетки приблизительно равен циальной составляющей ( диационными и излучают кроме фотонов с тангеншей величиной тангенциальной составляющей

gx

, становятся ра-

kt

также и фотоны с мень-

ППП на решетке грани с прямым краем приводит к появлению асимметричных спеклов (справа от кластерной спекл-структуры на рис. 2) в той области информационной диаграммы Габора, которая отвечает информационным ячейкам с разрешенными значениями проекций волновых векторов рассеянного излучения на плоскости регистрации:

ky < kt

). Резонансное возбуждение обеих ветвей

ky

k

t

k

в плоскости грани:

ственной частоты отношение
2

резонансно возбуждает ППП, если выполняется содействия ППП с волновыми векторами k и k щепление кривых дисперсии чем ветви мод разделены в ной

gx !=c
2

профиля

k = k(!) > !=c

.

простран-

падающее излучение . Вследствие взаимо-

kx 2=d, ky < kt = (!=c) sin

.

(gx ) + (kt ) = k

2

Литература
1. Васильев Ю.В., Козарь А.В., Курицына Е.Ф., Лукьянов А.Е. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2001.

g

в результате рассеяния на решетке происходит расмоды для двух пар связанных попарно ППП, при-

x

k(!)
x

на две связанные

ky

[8]. Вторая гармоника профиля несинусоидальрешетки с частотой ППП [5] 2 связи [7] и

k

4. С. 60 (Moscow University Phys. Bull. 2001. No. 4. P. 70). 2. Gabor D. // Progr. in Opt. 1961. 1. P. 109. 3. Васильев Ю.В., Козарь А.В., Курицына Е.Ф., Лукьянов А.Е. // Опт. и спектр. 1998.

-пространстве щелью усиливает эффект ветвей

попарной мод [7, 8]. В

g

расщепления

85, 6. C. 1001. 31, No. 4. P. 718.

работе

показано,

что

излучение подходящей величины проекции

s

4. Bonch-Bruevich A.M., Libenson M.N., Makin V.S.,

-поляризованное

канавок резонансно возбуждает на бесконечной решетке с глубоким гладким профилем ППП одной только верхней ветви дисперсионных кривых, но не в состоянии возбудить ППП ветви ниже щели. В нашем эксперименте происходит возбуждение ППП обеих ветвей, так как резкий прямой край полубесконечной решетки имеет в своем двумерном пространственном спектре кроме частоты стоты

kt

Trubaev V.V. // Opt. Eng. 1992.

вдоль

5. Okorkov V.N., Panchenko V.Ya., Russkikh B.V. et al. // Opt. Engineering. 1994. 33, No. 10. P. 3145. 6. Либенсон
М.Н.

//

Соросовский

образовательный

журнал. 1996. 10. С. 92. 7. Watts R.A., Preist T.W., Sambles J.R. // Phys. Rev. Lett. 1997. 79, No. 20. P. 3978. 8. Рейтер Х. // Поверхностные поляритоны / Под ред. В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985. С. 227. 9. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 10. Франсон М. Оптика спеклов. М.: Мир, 1980.

ном прикраевом участке поверхности обеспечивается одновременное выполнение двух соотношений:

g

y

. Это приводит к тому, что на освещен-

gx

и ча-

k > k (k
1 2

(gx ) + (kt ) = (k )
2 2 1 1

2

и

характеризует верхнюю ветвь дисперси-

(gx ) + (kt gy ) = (k )
2 2 2

2

, где
Поступила в pедакцию 06.02.02

онных кривых, а

k

2

нижнюю).