[论文解读] 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 4

一句话总结

本文表明，布鲁斯特角附近残留的反射和偏振变化主要源于入射光的非理想偏振态与非零方位角对准，而非先前假设的原子尺度界面层。通过使用偏振分析仪抑制s偏振成分，该方法可在多种材料和薄膜上实现精确的折射率（RI）测量，即使存在表面粗糙度或各向异性，也无需理想样品形貌。

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

研究动机与目标

• 解决长期存在的布鲁斯特角附近残留p偏振反射与s偏振出现的悖论。
• 挑战德鲁德模型及超薄界面层在解释布鲁斯特角附近偏振变化中的必要性。
• 证明布鲁斯特角折光法对高散射性、粗糙度或各向异性的材料依然具有鲁棒性。
• 建立一种与样品形貌无关、具有计量学可靠性的折射率测量方法。

提出的方法

• 使用包含方位角（α）和偏振度（DP）的弗朗兹反射模型，以建模反射功率。
• 通过偏振分析仪抑制反射光束中的s偏振成分，从而最小化因入射光偏振不理想而引入的误差。
• 利用方程（2）建立反射功率（R）相对于入射角（ϕ）、方位角（α）和折射率（n）的角依赖关系。
• 通过比较不同偏振度（DP）和方位角（α）下的最小反射功率（MRP）位置，验证结果，确认无相位跳变的单调行为。
• 利用干涉可见度与偏振态监测，确认在低信号区域下的测量可靠性。
• 将该方法应用于薄膜、各向异性材料（如云母、聚乙烯）及粗糙表面，均实现一致的折射率测定。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在入射辐射为p偏振时，布鲁斯特角附近反射光束中仍会出现残留s偏振光？
• RQ2 非理想偏振与非零方位角在多大程度上导致了与弗朗兹理论的表观偏离？
• RQ3 对于具有表面粗糙度、散射或各向异性的材料，布鲁斯特角折光法是否仍能保持准确性？
• RQ4 德鲁德模型中关于超薄界面层的假设是否为解释布鲁斯特角附近偏振变化所必需？
• RQ5 使用偏振分析仪如何提升折射率测量的准确性？

主要发现

• 布鲁斯特角附近的残留反射与s偏振现象源于入射光偏振不理想（DP < 100%）与非零方位角（α ≠ 0），而非界面层所致。
• 德鲁德模型中关于超薄过渡层的假设并非解释观测到的偏振变化所必需。
• 由于s成分的贡献，最小反射功率（MRP）位置向更小角度移动，且该偏移与α和DP误差成正比。
• 通过使用偏振分析仪抑制s成分，即使在粗糙或散射表面也能实现精确的折射率测量。
• 布鲁斯特折光法适用于各向异性材料（如云母、聚乙烯）及薄膜（低至200 nm），其折射率实部可被可靠测定。
• 干涉可见度在布鲁斯特角附近降至零，证实当采用偏振探测时，干涉效应不会干扰折射率测定。