CC BY
12
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ
УДК 535.41
ПОПЕРЕЧНОЕ РАССЕЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНОВ И СПЕКЛЫ
Ю. В. Васильев, А. В. Козарь, Е. Ф. Курицына, А. Е. Лукьянов
(.кафедра общей физики; кафедра радиофизики; кафедра физической электронику
Экспериментально обнаружено явление возникновения двумерной кластерной спекл-струк-туры вблизи одномерной цепочечной спекл-структуры. Оно обусловлено поперечной дисперсией резонансного перерассеяния поверхностных плазмон-поляритонов на хаотически модулированной металлической дифракционной решетке с шероховатой поверхностью.
Известно [1], что при падении лазерного излучения на плоскую, сильно шероховатую металлическую поверхность резонансное возбуждение и перерассеяние поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на модулированной поверхности металла приводит к аномальным явлениям. При диффузном рассеянии шероховатой поверхностью пучка видимого монохроматического излучения лазера на удаленном экране наблюдается пятнистая дифракционная картина [2] из одноцветных мелких ярких пятнышек (,спеклов). Изучение картин спеклов позволяет глубже понять механизмы протекания сложных оптических процессов на пространственно модулированной поверхности металла (см. напр., [3]).
Цель работы — экспериментально исследовать структуру оптического поля на удаленном экране при отражательной дифракции сфокусированного пучка лазера, освещающего плоскую металлическую поверхность с сильно анизотропной шероховатостью.
В эксперименте на голографической измерительной установке УИГ-22М качественный анализ структуры оптического поля проводился визуальным сравнением почернений фотоматериала экрана [4]. Принципиальная оптическая схема эксперимента показана на рис. 1. Аргоновый лазер 1 типа ЛГН-503 непрерывно генерирует гауссов монохроматический пучок 2: длина волны А = 514.5 нм, эффективный диаметр пучка Б = 2.5 мм, пространственная мода ТЕМоо • Механический затвор 3 управляет временем экспонирования фотоматериала экрана. Набор нейтральных светофильтров 4 ослабляет до необходимого уровня интенсивность излучения. Диафрагма 5 с круглым отверстием пространственно фильтрует лазерный пучок. Линза 6 с фокусным расстоянием 42 см плавно сжимает диаметр Б гауссова пучка излучения, распространяющегося вдоль оси 7, до минимальной величины в фокальной плоскости линзы (<¿«0.05 мм) [51.
11
10
7
6 5 4 3 2 1
У/Л 8
Рис. 1. Принципиальная оптическая схема эксперимента
С фокальной плоскостью линзы совмещена тонкая металлическая пластина 8 плоского лезвия безопасной бритвы шириной 22 мм. Лезвие имеет клиновидную режущую кромку длиной 37 и высотой около 0.5 мм. Сторона кромки состоит из четырех длинных граней, ширина которых убывает от основания кромки к ее вершине [6]. На рис. 1 показана проекция поперечного сечения грани 9 у основания кромки (средняя ширина грани Ь « 0.3 мм). Плоскость грани скошена относительно плоскости пластины лезвия под углом а и 5°. В декартовой системе координат хуг плоскость грани совпадает с плоскостью хг. Ось г совмещена с длинной осью грани, а ось у перпендикулярна плоскости грани. В плоскости (ху) падения сжатого гауссова пучка 5-поляризованного излучения на поверхность грани ось 7 пучка пересекает длинную ось грани в произвольно выбранной точке. Длинные края грани с координатами (х= ± 6/2, у=0, г) не освещаются лазерным пучком (ё -С Ь) и не участвуют в рассеянии излучения.
Тангенциальная составляющая волнового вектора падающего излучения на плоскости грани (А^) ориентирована вдоль оси х. Величина ^ мала = Ьто! к = 27г/Л). Излучение, рассеянное вблизи направления 10 — френелевского зеркального отражения грани, регистрируется на расстоянии 1 м на плоском листе фотобумаги 11 с размерами 9 х 12 см. Лист перпендикулярно пересекает направление зеркального отражения 10 в центре листа. Длинная сторона листа вертикальна и параллельна длинной оси грани (оси г).
Микрорельеф механически обработанной поверхности лезвия статистически сложен. На микрофотографии (рис. 2), полученной в растровом электронном микроскопе ЛБМ-Ш, на площади обзора 1 х 1 мм слева видна изотропно шероховатая поверхность металлической пластины лезвия, а справа — анизотропно шероховатая поверхность кромки лезвия. Рифленая поверхность кромки профилирована хаотично и не гладко. Черные горизонтальные полоски на рис. 2 — это длинные бороздки на поверхности кромки, ориентированные вдоль оси х. Средняя глубина бороздок первой грани кромки А у Л. Склоны бороздок грани крутые, часто обрывистые. Между глубокими бороздками расположены площадки поверхности грани, на которых процарапаны длинные мелкие канавки.
Рис. 2. Микрофотография фрагмента поверхности металлической пластины лезвия (слева) и режущей кромки лезвия (справа)
Из-за анизотропной шероховатости грани возникает визуально наблюдаемая пространственно неоднородная картина фраунгоферовых спеклов на белом листе бумаги в фотографической рамке установки. Типичный пример такой картины показан в негативном изображении на рис. 3 внизу (картина зарегистрирована при большой величине экспозиции фотобумаги). В этой картине на фоне обычных спеклов, хаотически разбросанных по листу фотобумаги, выделяется вертикальная, статистически симметричная полоса аномально интенсивных спеклов (в оригинале высота полосы 12 см, а средняя ширина — около 2.5 см).
Для изучения строения аномальной спекл-струк-туры в нашем эксперименте использован метод оста-
шш
Рис. 3. Эволюция картины зарегистрированных лазерных спеклов при изменении величины экспозиции фотобумаги от малой (вверху) до большой (внизу)
точных лучей [4]. Так, при малой величине экспозиции фотобумаги на фотоснимке регистрируется одномерная цепочечная спекл-структура, пример которой показан на рис. 3 вверху. Эта спекл-структура состоит из одиночных световых пятен различной интенсивности, хаотически распределенных вдоль вертикальной линии.
Основной причиной возникновения цепочечной спекл-структуры можно считать механизм продольного (ориентированного вдоль оси г) и нерадиационного резонансного перерассеяния ПЭВ на резонансных фурье-составляющих большой амплиту-
ды в пространственном спектре анизотропно шероховатой поверхности грани. Наиболее важными в перерассеянии ПЭВ оказываются фурье-еоетавляю-щие с высокими пространственными частотами дх и 2дх, где дх и ш/с (ш — циклическая частота лазерного излучения, с — скорость света в вакууме) [1]. Радиационное рассеяние ПЭВ хаотической дифракционной решеткой (совокупностью бороздок и гребней грани) ведет к формированию ориентированной параллельно оси г одномерной цепочечной епекл-етруктуры на листе фотобумаги.
При увеличении экспозиции фотобумаги в эксперименте зарегистрировано возникновение двумерной кластерной епекл-етруктуры. Пример такой структуры показан посредине рис. 3. Здесь видно, что имеет место уширение световых пятен исходной, одномерной цепочечной епекл-етруктуры в горизонтальном направлении (поперечном к оси г). Это уширение является аномальным с точки зрения существующих представлений о форме спеклов.
Описываемое явление можно интерпретировать в рамках представлений модели [1], если дополнительно принять во внимание плазмоноподобный характер ПЭВ на частотах видимого диапазона. Для поверхностных плазмон-поляритонов естествен-
но однократное или многократное рассеяние на шероховатостях металлической поверхности, которое сопровождается изменением направления волнового вектора [7]. В нашем случае это подразумевает возможность существования поперечной дисперсии резонансного перерассеяния ПЭВ за счет низкочастотных составляющих дх «ш/с в пространственном спектре анизотропно шероховатой поверхности первой грани кромки лезвия.
Литература
1. Емельянов В.И., Семиногов В.Н. // Квант, электрон. 1987. 14, №1. С. 47.
2. Франсон М. Оптика спеклов. М., 1980.
3. Васильев Ю.В., Козарь A.B., Курицына Е.Ф., Лукьянов А.Е. // Опт. и спектр. 1998. 85, №6. С. 1001.
4. Шишловский A.A. Прикладная физическая оптика. М., 1961.
5. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М., 1998.
6. Герчиков A.B. // Химия и жизнь. 1982. №6. С. 87.
7. Рейтер X. // Поверхностные поляритоны / Под ред. В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса. М., 1985. С. 227.
Поступила в редакцию 16.02.04
