Определение объемных и поверхностных свойств конденсированных сред с помощью отражения света. Метод комплексного угла преломления

• Автор: Ильина, Светлана Гарриевна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 130 с. : ил.

ГЛАВА 1 ВЫРАЖЕНИЕ ОСНОВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЧЕРЕЗ КОМПОНЕНТЫ КОМПЛЕКСНОГО УГЛА

ПРЕЛОМЛЕНИЯ

§ 1. Отражение н преломление плоских волн и метод

комплексного угла преломления

Формулы отражения света, полученные методом КУП

1 .Полное внутреннее отражение

2.Обобщенное условие Брюстера для поглощающих сред (главный угол падения)

§ 2. Неоднородная волна и ее описание (обзор)

Методы классической оптики

Методы теории дифракции

Метод геометрической оптики

Комплексные лучи
Дифракционные лучи
Метод параболического уравнения
• ГЛАВА 2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФОРМАЛИЗМА КОМПЛЕКСНОГО
УГЛА ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ ВЕЩЕСТВА
§ 1. Основные формулы
§ 2. Методы определения оптических постоянных
A. Измеряемые величины- г„ гр при одном угле падения
Б. Метод двух и более углов (метод Шимона)
B. Метод производной
Эллипсометрические методы
Г. Метод параметров Стокса
Д. Метод характеристических углов
(Измерения при главном угле падения и главном азимуте)
Формулы перевода
§ 3. Ошибки определения оптических ПОСТОЯННЫХ
. §4. Экспериментальное определение оптических постоянных органических пигментов
Теория метода измерения. Установка
Подготовка установки к измерениям
Образцы. Результаты п(Я),к(Я)

ГЛАВА 3 ОПИСАНИЕ И РАСЧЕТ УСИЛЕНИЯ
СВЕТА ПРИ ОТРАЖЕНИИ С ПОМОЩЬЮ
КОМПЛЕКСНОГО УГЛА ПРЕЛОМЛЕНИЯ
§ 1. Вывод закона Снеллиуса для инвертированной среды
§ 2. Вычисление коэффициента отражения света от инвертированной среды
§ 3. Приложение. Схема вычисления коэффициента отражения
ГЛАВА 4 О НОВОМ ПОДХОДЕ К РЕШЕНИЮ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ЭЛЛИПСОМЕТРИИ ДЛЯ ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА СИСТЕМОЙ «СЛОЙ НА ПОДЛОЖКЕ»
§ 1. Вывод формул независимого определения параметров слоя из измерений параметров Стокса отраженного света
§ 2. Применение разработанного метода к случаю, когда измеряемыми величинами является эллиптичность при угле Брюстера
Метод эквивалентной поглощающей среды
§ 3. Определение параметров поверхностного слоя (ПС) для чистых жидкостей из известных экспериментальных данных
Параметры ПС для жидкостей при 18°С
Спектральные зависимости
Зависимость от температуры
ГЛАВА 5 О БАЛАНСЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ОТРАЖЕНИИ
Расчет баланса энергии при отражении с использованием метода комплексного угла преломления
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Законы отражения Френеля и законы дифракции
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПРИНЯТЫХ АББРЕВЕАТУР
Актуальность темы
Отражение света представляет собой информативный метод исследования [1] поверхностных и объемных свойств вещества, таких как оптические постоянные сильно поглощающих веществ, параметры поверхностного слоя жидкостей, растворов и твердых поверхностей. Знание перечисленных свойств вещества необходимо для фундаментальных и прикладных исследований в области оптики металлов, полупроводников и красителей, вопросов теории жидкости, поверхности, фазовых переходов и т.д. В последние десятилетия вызывает интерес обнаруженное в 70-х годах XX века явление усиления света при отражении.
Для выявления свойств вещества из характеристик отраженного света требуется эффективный метод расчета. Этим вопросом занимались многие исследователи [2], разработано большое количество методов определения оптических постоянных. Все методы используют приближенные формулы, номограммы и графики, т.к. формулы Френеля, преобразованные к измеряемым интенсивностям и выраженные через оптические постоянные, имеют очень сложный вид. Так же сложны формулы, связывающие данные эллипсометрии отраженного света с параметрами поверхностного слоя [3], поэтому расчеты производятся также по приближенным формулам.
Обнаруженное экспериментально усиление света при отражении от инвертированной среды [4,5] получило различные версии объяснения [6-16], однако они не согласуются полностью с экспериментом и не дают метода расчета усиления.
В данной диссертации разработан метод, названный, нами методом комплексного угла преломления (КУП), на основе которого рассмотрены четыре задачи отражения света, в каждой из которых получены новые результаты: 1) определение оптических постоянных веществ по точным формулам из различных характеристик отраженного света. 2) Описание явления усиления света при отражении от инвертированной среды и расчет коэффициента отражения, 3) аналитическое решение обратной задачи эллипсометрии для модели «слой на подложке», 4) получение полного баланса энергии при отражении света от границы двух поглощающих сред.
Основными целями работы являются
1. Получение точных формул для расчета оптических постоянных вещества п,к через различные характеристики отраженного света: интенсивности отраженного света линейной поляризации двух независимых направлений (б- и р-поляризация), интенсивность отраженного света при двух (или более) углах падения, разность фаз между э- и р-компонентами и эллиптичность и т.д. Измерение параметров

Примеры измерений ОП у органических пигментов приведены на рис.2.7-2.15.
Подготовка установки к измерениям.
1. В исходном состоянии все элементы оптической системы удалены. Линза (4) формирует изображение источника света на АЭР. ФЭУ снят и заменен зрительной трубой. Устанавливается анализатор и определяется его ориентация, Аь соответствующая горизонтальному направлению линейно поляризованного света, по отражению от полированного стекла под углом Брюстера. Поляризатор Р устанавливается в скрещенном положении Р|, что определяется по потемнению в проходящем свете.
2. Поляризатор поворачивается на угол 45° по лимбу, положение Р2. Анализатор выводится в скрещенное положение А2.
3. Поляризатор и анализатор устанавливаются в положение Рь А]. Вставляется пластинка А/4 и поворачивается до потемнения, что соответствует ориентации «быстрой» оси пластинки Ґ вдоль одного из направлений А] или Р]. Это направление фиксируется упором. Аналогично находится положение, при котором Ґ ориентирована вдоль А2, Р2, т.е. под углом 45° к предыдущему. Это положение также фиксируется упором на держателе пластинки А/4. Цилиндрическая оправа пластинки снабжена вертикальным «поводком», который может перебрасываться от одного упора до другого, изменяя тем самым ориентацию І от ср= 0 до 9=45° относительно выделенного анализатором направления.
4. Пластинка А/4 вынимается. Поляризатор и анализатор устанавливаются в положение Рь А]. Устанавливается АЭР, наблюдается коноскопическая картина, представляющая собой темный крест в центре концентрических окружностей ( при подаче напряжения на АЭР он преобразуется в две гиперболы, так что центр остается светлым). Регулировочными винтами сферической направляющей кристалл ориентируется так, чтобы темное перекрестие попало в центр светового поля, затем диафрагмой оставляют только темный участок.
5. Анализатор остается в положении Аі. Устанавливается ФЭУ. Включается канал наблюдения сигнала на первой гармонике ХА. Устанавливается падающий свет циркулярной поляризации. На АОР подается напряжение. Вращением оправы АЭР относительно цилиндрической направляющей, т.е. перпендикулярно лучу, добиваемся нулевого сигнала на синхронном детекторе ХА. В этом положении АЭР фиксируется.
6. Анализатор переводится в положение А2 и в этом положении фиксируется.
Установка готова к измерениям параметров Стокса по схеме (25), (26).