ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПЛОСКОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ПРОХОДЯЩИХ ПУЧКОВ

Целью работы является теоретическое обоснование нового метода определения показателя преломления однородного прозрачного плоского диэлектрического слоя по измерению интенсивности двух поляризаций проходящего пучка электромагнитного излучения без учета фазовых соотношений и фазовых параметров тестирующего поля при неизвестной толщине слоя.

Для этого рассматривались энергетические коэффициенты прохождения слоя для двух линейных поляризаций пучка электромагнитного излучения, перпендикулярной и параллельной плоскости падения, и изучались их зависимости от показателя преломления слоя и его толщины. Найдена функция энергетических коэффициентов прохождения двух разных поляризаций, которая не зависит от толщины слоя и характеризуется монотонной зависимостью от его показателя преломления.

Показано, что применение данной функции позволяет однозначно определить искомый показатель преломления слоя по измерениям интенсивностей двух ортогональных поляризаций проходящего излучения. Это можно сделать аналитически, используя обратную функцию, а также с помощью экспериментальной калибровки исходной функции. Изучено влияние поглощения на эффективность применения метода и установлено, что его присутствие вызывает появление отдельных зон изменения показателя преломления, где метод перестает работать. Однако если его величина не превышает значений порядка 10–5, то метод может применяться, но уже в ограниченном интервале изменения показателя преломления.

Таким образом, доказано, что предлагаемый метод дает возможность определять показатель преломления диэлектрического слоя в условиях малого и нулевого поглощения по измерениям интенсивностей проходящего электромагнитного излучения двух ортогональных поляризаций. 

1. Singh S. Refractive index measurement and its applications. Physica Scripta, 2002, vol. 65, no. 2, pp. 167–180.

2. Meeteen G.H. Refractive index measurement. CRC Press, 1999, 11 p.

3. Sokolov V.I., Marusin N.V., Panchenko V.Ya., Savelyev A.G., Seminogov V.N., Khaydukov E.V. Determination of refractive index, extinction coefficient and thickness of thin films by the method of waveguide mode excitation. Quantum Electronics, 2013, vol. 43, no 12, pp. 1149–1153. doi: org/10.1070/QE2013v043n12ABEH015272

4. Astrua M., Pisani M. Prism refractive index measurement at INRiM. Meas. Sci. Technol., 2009, vol. 20, no. 9, paper no. 095305.

5. Chiu M.-H., Lee J.-Y., Su D.-C. Complex refractiveindex measurement based on Fresnel’s equations and the uses of heterodyne interferometry. Applied Optics, 1999, vol. 38, no. 19, pp. 4047–4052.

6. Choi H.J., Lim H.H., Moon H.S., Eom T.B., Ju J.J., Cha M. Measurement of refractive index and thickness of transparent plate by dual-wavelength interference. Optics Express, 2010, vol. 18, no. 9, pp. 9429–9434.

7. Ayupov B.M., GritsenkoV.A., Wong H., Kim C.W. Accurate Ellipsometric Measurement of Refractive Index and Thickness of Ultrathin Oxide Film. Journ. Electrochem. Soc., 2006, vol. 153, issue 12, pp. F277– F282. doi: 10.1149/1.2357717

8. Azzam R., Bashara N. Ellipsometry and polarized light. Amsterdam, North Holland, 1977, 548 p.

9. Brindza M., Flynn R.A., Shirk J.S., Beadie G. Thin sample refractive index by transmission spectroscopy. Opt. Express, 2014, vol. 22, no. 23, pp. 28537–28552. doi: 10.1364/OE.22.028537|OPTICS EXPRESS 28537

10. Kupfer K. (ed.) Electromagnetic Aquametry. Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances. Berlin, Springer, 2005, 530 p.

11. Serdyuk V.M. Dielectric study of bound water in grain at radio and microwave frequencies. Progress In Electromagnetics Research, 2008, vol. 84, pp. 379–406.

12. Kizel V.A. Otrazhenie sveta [Light reflection]. Moscow, Nauka Publ., 1973, 352 p. (in Russian).

13. Born M., Wolf E. Principles of Optics. 7th ed. Cambridge, Cambridge University Press, 1999, pp. 38–53.

14. Chew W.C. Waves and fields in inhomogeneous media. New York, IEEE Press, 1995, 608 p.

15. Ishimaru A. Electromagnetic Wave Propagation, Radiation and Scattering. Engelwood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1991, 637 p.

16. Serdyuk V.M., Titovitsky J.A. A simple analytic approximation for the refracted field at Gaussian beam incidence upon a boundary of absorbing medium. Journ. Electromagnetic Analysis & Applications, 2010, vol. 2, no. 11, pp. 640–648. doi: 10.4236/jemaa.2010.211084

17. Hishikawa Y., N. Nakamura, Studa S., Nakano S., Kishi Y., Kuwano Y. Interference-free determination of the optical absorption coefficient and the optical gap of amorphous silicon thin films. Jap. Journ Appl. Phys., 1991, vol. 30, no. 5, pp. 1008–1014.

18. Bhattacharyya D., Bhattacharyya S.K., Chaudhuri S., Pal A.K. Determination of refractive index of thin films beyond the absorption edge. Vacuum, 1993, vol. 44, issue 10, pp. 979–981. doi: 10.1016/0042-207X(93)90282-F.