[논문 리뷰] Determination of refractive index of various materials on Brewster angle

Е. А. Тихонов|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Surface Roughness and Optical Measurements인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 브류스터 각도 근처에서 잔류 반사 및 편광 변화가 이전에 제기된 원자 크기의 인터페이스층 때문이 아니라, 입사광의 완벽한 편광이 아니고, 자세각이 0이 아닌 것 때문임을 입증한다. 편광 분석기를 사용하여 s-편광 성분을 억제함으로써, 이 방법은 표면 거칠기나 이방성 여부에 관계없이 다양한 재료와 필름에 대해 정확한 굴절률 측정이 가능하며, 이상적인 표면 형상이 필요로 하지 않는다.

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

연구 동기 및 목표

• 브류스터 각도 근처에서 잔류 p-편광 반사 및 s-편광 성분의 출현이라는 오랫동안 해결되지 않은 역설을 해결하기 위해.
• 브류스터 각도 근처의 편광 변화를 설명하기 위해 드루드 모델과 초박공 인터페이스층이 반드시 필요하다는 것을 도전하기 위해.
• 표면 산란, 거칠기 또는 이방성이 있는 재료에 대해서도 브류스터 굴절률 측정법이 여전히 강건함을 보여주기 위해.
• 표면 형상에 영향을 받지 않는 메트로로지적으로 타당한 굴절률 측정 방법을 확립하기 위해.

제안 방법

• 반사 전력 모델링을 위해 아즈임스 각도(α)와 편광도(DP)를 명시적으로 포함한 프레넬 반사 모델을 사용한다.
• 입사광의 불완전한 편광으로 인한 오차를 최소화하기 위해, 반사 광선 내의 s-편광 성분 억제를 위해 편광 분석기를 적용한다.
• 방정정식 (2)를 통해 입사각(ϕ), 아즈임스 각도(α), 굴절률(n)에 따른 반사 전력(R)의 각도 의존성을 활용한다.
• 다양한 DP 및 α 조건에서 MRP(최소 반사 전력) 위치를 비교하여, 단조로운 행동을 확인함으로써 결과를 검증한다. 이는 위상 점프 없이 발생한다.
• 저신호 영역에서 측정 신뢰도를 확인하기 위해 간섭 가시도 및 편광 상태 모니터링을 수행한다.
• 이 방법을 박막, 이방성 재료(예: 마이카, 폴리에틸렌), 거친 표면에 적용하여 일관된 굴절률 결정을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입사광이 p-편광임에도 불구하고 브류스터 각도 근처에서 잔류 s-편광 빛이 반사 광선에 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ2 불완전한 편광과 비제로인 아즈임스 각도가 프레넬 이론에서의 명백한 이탈에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 표면 거칠기, 산란성 또는 이방성이 있는 재료에 대해서도 브류스터 각도 굴절률 측정법이 정확하게 유지될 수 있는가?
• RQ4 브류스터 각도 근처의 편광 변화를 설명하기 위해 드루드 모델이 초박공 인터페이스층을 가정하는 것이 반드시 필요한가?
• RQ5 편광 분석기를 사용할 경우 굴절률 측정 정확도가 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• 브류스터 각도 근처에서의 잔류 반사 및 s-편광은 초박공 인터페이스층 때문이 아니라, 입사광의 불완전한 편광(DP < 100%)과 비제로인 아즈임스 각도(α ≠ 0) 때문임을 규명하였다.
• 관측된 편광 변화를 설명하기 위해 드루드 모델의 초박공 전이층 가정은 불필요하다.
• s-성분 기여로 인해 최소 반사 전력(MRP) 위치가 더 작은 각도 쪽으로 이동하며, 이 이동은 α와 DP 오차에 비례한다.
• s-성분 억제를 위해 편광 분석기를 사용함으로써, 거친 표면이나 산란성이 있는 표면에서도 정확한 굴절률 측정이 가능하다.
• 브류스터 굴절률 측정법은 이방성 재료(예: 마이카, 폴리에틸렌) 및 박막(최소 200 nm)에도 효과적이며, 굴절률의 실수부는 신뢰성 있게 결정된다.
• 브류스터 각도 근처에서 간섭 가시도가 0으로 떨어지며, 편광 검출을 사용할 경우 간섭이 굴절률 결정에 영향을 주지 않음을 확인한다.