[論文レビュー] Determination of refractive index of various materials on Brewster angle

Е. А. Тихонов|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Surface Roughness and Optical Measurements被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ブリュースター角付近における残留反射および偏光の変化が、従来の仮説である原子スケールの界面層によるものではなく、入射光の偏光が不完全であることと、アリューモン角がゼロでないことが主な要因であることを示している。偏光分析器を用いてs偏光成分を抑制することで、表面粗さや異方性がある場合でも、多様な材料や膜に対して、理想のサンプル形状を必要とせずに正確な屈折率（RI）測定が可能になる。

ABSTRACT

Studied experimentally the origin of the non-zero reflection of p-polarized radiation (TM) of Brewster's angle. The results have shown the residual reflected light in the vicinity of Brewster angle occurs due to inaccessibility 100% polarization degree the incident linearly-polarized radiation and installation of the zero azimuthal angle. These factors create the s-component of the radiation reflected from the examined surface indeed. A smooth change of reflected light polarization in the vicinity of Brewster angle in the sequence p-s-p appears due to the changing power proportion of reflected p-, and s-components but not is the result of the atomically thin transitional layer at the border of the material/environment according to Drude model. Metrological aspects of refractive index measurement by Brewster angle are investigated: due to the above-mentioned factors, as well as due to the contribution of the reflected scattered light caused by on residual roughness of the optical surface. Advantages of Brewster refractometry for any materials and films without restrictions on the topology of samples and their light scattering and absorption are demonstrated

研究の動機と目的

• ブリュースター角付近における残留p偏光反射およびs偏光の出現という長年のパラドックスを解明すること。
• ドレイデのモデルおよび超薄膜界面層の仮説が、ブリュースター角付近での偏光変化を説明するために必要でないことを挑戦すること。
• 散乱性、粗さ、または異方性を示す材料に対しても、ブリュースター屈折率測定法が依然として頑健であることを示すこと。
• サンプルの形状に依存しない計測的に妥当な屈折率測定手法を確立すること。

提案手法

• 反射光の強度をモデル化するために、方位角（α）と偏光度（DP）を明示的に含めたフレネルの反射モデルを用いる。
• 入射光の偏光が不完全な影響を最小限に抑えるために、反射ビーム内のs偏光成分を抑制する偏光分析器を適用する。
• 式（2）を用いて、入射角（ϕ）、方位角（α）、屈折率（n）の関数としての反射光強度（R）の角度依存性を分析する。
• 異なるDPおよびαにおけるMRP（最小反射光強度）位置の比較により結果を検証し、位相ジャンプがなく単調な挙動を示すことを確認する。
• 干渉の可視度と偏光状態のモニタリングを用いて、低信号領域における測定の信頼性を確認する。
• 薄膜、異方性材料（例：マイカ、ポリエチレン）、粗い表面に対してこの手法を適用し、一貫した屈折率の決定が可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p偏光の入射光のもとで、なぜブリュースター角付近に残留s偏光が現れるのか？
• RQ2 不完全な偏光および非ゼロの方位角が、フレネル理論からの顕著なずれにどの程度寄与しているのか？
• RQ3 表面粗さ、散乱、または異方性を示す材料に対しても、ブリュースター角屈折率測定法は正確に保たれるのか？
• RQ4 ドレイデモデルにおける超薄膜界面層の仮定は、ブリュースター角付近での偏光変化を説明するために必要なのか？
• RQ5 偏光分析器を用いることで、屈折率測定の正確性はどの程度向上するのか？

主な発見

• ブリュースター角付近における残留反射およびs偏光は、界面層によるものではなく、入射光の偏光度が不完全（DP < 100%）であることと、方位角がゼロでない（α ≠ 0）ことが原因である。
• ドレイデモデルが提唱する超薄膜遷移層の仮説は、観測された偏光変化を説明するために不要である。
• 最小反射光強度（MRP）の位置は、s成分の寄与により入射角が小さい方向にずれ、そのずれはαおよびDPの誤差に比例する。
• s成分を抑制するための偏光分析器を用いることで、粗い表面や散乱性のある表面に対しても正確な屈折率測定が可能になる。
• ブリュースター屈折率測定法は、異方性材料（例：マイカ、ポリエチレン）および薄膜（200 nmまで）に対しても有効であり、屈折率の実部は信頼性高く決定できる。
• 干渉の可視度はブリュースター角付近でゼロに低下し、偏光検出を用いる場合、干渉が屈折率決定を妨げないことが確認された。