Отражение и прохождение циркулярно-поляризованного света для слоистой периодической системы с распределенными дефектами

Полный текст

Введение

Диагностика неоднородных структур с помощью поляризованного оптического излучения позволяет получить важную информацию как для изучения самих объектов, так и для практического использования таких структур. В работах [2–4] проводится анализ оптических свойств тонких пленок с использованием циркулярно-поляризованного света. Особый интерес представляют периодические слоистые структуры, образующие одномерный фотонный кристалл [1]. Идеальные периодические структуры обладают характерными спектрами отраженного и прошедшего света, на фоне которых особенно ярко выделяются особенности, связанные с наличием дефектов в периодической структуре [5–7; 9]. Применение распределенных дефектов в идеальной периодической структуре приводит к возможности получения уникальных устройств для преобразования оптических параметров падающего на такую структуру излучения [8]. В данной работе проводится обобщение модели структуры с распределенными дефектами, предложенными в [8], на случай наклонного падения света и применения света круговой поляризации. Такое обобщение дает более широкие возможности изучения отклика исследуемой системы на воздействующее поляризованное излучение для практических применений таких периодических структур с распределенными дефектами.

1. Постановка задачи

На периодическую слоистую систему, состоящую из 10 пар слоев, под углом fi падает циркулярно поляризованный свет. В данной системе распределено 4 дефекта – см. рис. 1. Расчет проводился для следующих значений параметров: 1-й слой в периодической паре – диэлектрическая проницаемость ${\epsilon }_1=\mathrm{11,22,}$ толщина слоя $d_1=\mathrm{0,116}\mu ,$ 2-й слой в периодической паре – ${\epsilon }_2=\mathrm{8,35,}$ $d_2=\mathrm{0,134}\mu .$ Параметры дефекта: ${\epsilon }_{def}=\mathrm{25,}$ толщина слоя дефекта $d_{def}=\mathrm{2,668}\mu .$ Длина волны падающего света $\lambda =\mathrm{1,55}\mu .$ Требуется провести расчет спектральной и угловой зависимости энергетических коэффициентов отражения и прохождения, а также параметров эллипсометрии.

Рис. 1. Периодическая слоистая система с распределенными дефектами

Fig. 1. Periodic layered system with distributed defects

2. Метод расчета

В качестве основного диагностического метода используется метод эллипсометрии. Эллипсометрические параметры $\rho$ и $\Delta$ определяются в данной работе как модуль и аргумент комплексного параметра $\hat{\rho }$, являющегося отношением амплитудных коэффициентов отражения для p- и s-поляризации:

$\widehat{\rho }=\rho e^{i\Delta }=\frac{R_p}{R_s}.$

С помощью метода характеристических матриц [7] проводится расчет энергетических коэффициентов отражения и прохождения как функции длины волны падающего света, а также как функции угла падения. Кроме этого, рассчитываются амплитуды отраженной и прошедшей волн, по ним рассчитываются соответствующие эллипсометрические параметры.

3. Результаты расчетов

Результаты расчета представлены на рис. 2–7.

Рис. 2. Зависимость эллипсометрического параметра ρ от длины волны для значений углов падения fi=0° и fi=45°

Fig. 2. Dependence of the ellipsometric parameter ρ on the wavelength for the values of the angles of incidence fi=0° and fi=45°

Рис. 3. Зависимость эллипсометрического параметра ρ от длины волны для значений углов падения fi=0° и fi=85°

Fig. 3. Dependence of the ellipsometric parameter ρ on the wavelength for the values of the angles of incidence fi=0° and fi=85°

Рис. 4. Зависимость эллипсометрического параметра Δ от длины волны для значений углов падения fi=0° и fi=45°

Fig. 4. Dependence of the ellipsometric parameter Δ on the wavelength for the values of the angles of incidence fi=0° and fi=45°

Рис. 5. Зависимость эллипсометрического параметра Δ от длины волны для значений углов падения fi=0° и fi=85°

Fig. 5. Dependence of the ellipsometric parameter Δ on the wavelength for the values of the angles of incidence fi=0° and fi=85°

Рис. 6. Угловые спектры эллипсометрического параметра ρ для трех значений длины волны λ=1,4μ, λ=1,7μ, λ=1,8μ

Fig. 6. Angular spectra of the ellipsometric parameter ρ for three wavelength values λ=1,4μ, λ=1,7μ, λ=1,8μ

Рис. 7. Угловые спектры эллипсометрического параметра Δ для трех значений длины волны λ=1,4μ, λ=1,7μ, λ=1,8μ

Fig. 7. Angular spectra of the ellipsometric parameter Δ for three wavelength values λ=1,4μ, λ=1,7μ, λ=1,8μ

4. Обсуждение результатов

Из приведенного анализа мы видим, что слоистая периодическая среда с распределенными дефектами обладает ярко выраженными зависимостями от угла падения света и от его длины волны. Этот результат предоставляет возможность для использования такой слоистой структуры для целей преобразования параметров излучения. Особенно следует отметить поведение второго эллипсометрического параметра  Как видно из рис. 4, 5 и 7, этот параметр при определенных значениях длин волн и углах падения переходит через нулевые значения. Как показано в наших работах [6; 7], это означает смену поляризации с одной на другую – с левой эллиптической на правую эллиптическую и наоборот. Такое свойство спектров параметров эллипсометрии позволяет использовать его в практических целях для создания устройств, изменяющих поляризацию света.

Заключение

В работе показана высокая чувствительность эллипсометрического метода при анализе спектров отраженной световой волны от слоистой периодической структуры с распределенными дефектами. Отмечена возможность управления характером поляризации света с помощью такой структуры.

Об авторах

Валерий Васильевич Яцышен

Автор, ответственный за переписку.
Email: yatsyshen.valeriy@volsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4185-2333
SPIN-код: 9693-4494
ResearcherId: AAZ-6993-2021

доктор технических наук, профессор кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения

Область научных интересов: радиофизика и квантовая радиофизика, оптические свойства конденсированных сред, фотонные кристаллы, метаматериалы

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Периодическая слоистая система с распределенными дефектами

Скачать (132KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Зависимость эллипсометрического параметра ρ от длины волны для значений углов падения fi=0° и fi=45°

Скачать (297KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Зависимость эллипсометрического параметра ρ от длины волны для значений углов падения fi=0° и fi=85°

Скачать (422KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Зависимость эллипсометрического параметра Δ от длины волны для значений углов падения fi=0° и fi=45°

Скачать (347KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Зависимость эллипсометрического параметра Δ от длины волны для значений углов падения fi=0° и fi=85°

Скачать (468KB)

Метаданные

7. Рис. 6. Угловые спектры эллипсометрического параметра ρ для трех значений длины волны λ=1,4μ, λ=1,7μ, λ=1,8μ

Скачать (277KB)

Метаданные

8. Рис. 7. Угловые спектры эллипсометрического параметра Δ для трех значений длины волны λ=1,4μ, λ=1,7μ, λ=1,8μ

Скачать (363KB)

Метаданные