Введение к работе
Актуальность темы
Отражение света представляет собой информативный метод исследования 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, 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. Столь же сложны формулы, связывающие данные эллипсометрии отраженного света с параметрами поверхностного слоя, поэтому расчеты производятся также по приближенным формулам.
Обнаруженное экспериментально усиление света при отражении от инвертированной среды получило различные версии объяснения, 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 точньм 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 целямиработы 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 (s- и р-поляризация), интенсивность отраженного света при двух (или более) углах падения, разность фаз между s- и р-компонентами и эллиптичность и т.д. Измерение
'ОС национальная"
3 &HMNOTEKA м
параметров Стокса отраженного света и вычисление оптических постоянных для образцов органических пигментов.
Вывод закона преломления Снеллиуса, справедливого для инвертированных сред. Расчет усиления света при отражении по точным формулам.
Получение точного решения обратной задачи эллипсометрии для модели «слой на подложке», т.е. метода определения параметров поверхностного слоя. Разработка алгоритма обработки имеющихся экспериментальных данных для независимого определения параметров поверхностного слоя.
Проверка возможности вычисления баланса энергии при отражении света от границы раздела между двумя поглощающими средами.
Научнаяновизнаработы
Разработан новый метод рассмотрения явлений, сопровождающих отражение света - метод КУП, использующий при расчетах промежуточные величины - компоненты комплексного угла преломления. Впервые были получены представленные здесь точные формулы для определения оптических постоянных из измерений отражения.
Выведен закон преломления Снеллиуса, пригодный для инвертированных сред, с помощью которого представлена новая версия описания явления усиления при отражении. Разработан новый алгоритм вычисления коэффициента отражения и угла расходимости усиленного светового пучка.
Разработан новый метод независимого определения параметров поверхностного слоя по новой экспериментальной схеме. Метод адаптирован также для расчета параметров слоя из обычных измерений эллиптичности отраженного света. С помощью адаптированного метода были вычислены значения показателя преломления и толщины поверхностного слоя для большого количества разнородных жидкостей из измерений эллиптичности.
С помощью метода КУП впервые получен полный баланс энергии при отражении света на границе двух поглощающих сред, что является решающим аргументом для обоснования развитого метода.
Практическаязначимость
Методика определения оптических постоянных востребована для самых разных материалов. Теоретически спектральный диапазон возможных измерений не ограничен. С помощью приведенных формул могут быть произведены расчеты п,к для старых измерений.
Расчеты усиления света при отражении интересны как для теории отражения, так и при технологических расчетах лазерных систем.
Независимое вычисление параметров поверхностного слоя необходимо для интерпретации данных при исследовании явлений на поверхностях и
межфазных границах, в конечном счете, для выяснения структуры поверхностного слоя.
Полученный впервые полный баланс энергии при отражении света от границы двух поглощающих сред, во-первых, демонстрирует возможности метода КУП для описания отражения света и, во-вторых, не ограничивает, а предоставляет возможность учета количественного вклада любых факторов, сопровождающих отражение света (интерференционный поток и др.).
На защиту выносятся:
Новые расчетные формулы для определения оптических постоянных из различных характеристик отраженного света исследуемого образца. Оптические постоянные ряда органических пигментов.
Новый модифицированный закон преломления Снеллиуса, справедливый для инвертированных сред и, на его основе, новое описание механизма усиления света при отражении от инвертированной среды. Доказательство невозможности усиления при отражении от однородной активной среды. Новый алгоритм вычисления коэффициента отражения и угла расходимости усиленного светового пучка.
Новый подход к решению обратной задачи эллипсометрии для модели «слой на подложке», обеспечивающий независимое определение параметров поверхностного слоя — толщины и показателя преломления - из измерений угловой зависимости параметров Стокса отраженного света вблизи главного угла падения. Результаты обработки экспериментальных данных по эллипсометрии отраженного от поверхности чистых жидкостей света.
Вывод формул, позволяющих получить полный баланс энергии при отражении света от границы двух поглощающих сред.
Публикации
