Ellipsometry of thin films of biological objects under conditions of total internal reflection

Full Text

Введение

В задачах спектроскопии материалов до последнего времени, как правило, использовался поляризованный свет с линейной поляризацией. При этом анализировался отраженный и прошедший свет для взаимно перпендикулярных поляризаций – s и p. Различие в отражательных спектрах для этих поляризаций давало дополнительную информацию по сравнению с диагностикой материалов неполяризованным светом. Наиболее полную информацию о свойствах различных материалов несет спектроскопия с использованием эллиптически поляризованного света. При отражении света от исследуемого образца характер этой поляризации может меняться определенным образом, что может служить дополнительным методом диагностики материала. Например, в работе [1] использовался циркулярно поляризованный свет для анализа оптических свойств квантовой точки. Авторы работы подчеркивают, что возникающая эллиптичность света при воздействии на квантовую точку играет существенную роль. Эллиптически поляризованный свет используется не только для целей диагностики, но и как уникальный способ возбуждения молекулярных систем. Так, в работе [2] описана модель неадиабатического вращательного возбуждения молекул с использованием коротких специфических эллиптически поляризованных лазерных импульсов. В работе [3] показано, что при использовании эллиптически поляризованного света путем изменения эллиптического параметра можно изменять линейное или нелинейное поглощение световой волны. Одним из самых тонких оптических методов диагностики материалов является метод эллипсометрии. В работе [4] предложен точный эллипсометрический метод анализа когерентного света с малой эллиптичностью. Особую роль занимают способы преобразования поляризации света. В работе [5] сообщается о новом методе преобразования линейно поляризованного света в эллиптический свет с использованием плоскопараллельной пластины. В статье [6] для анализа свойств листа используется свет с круговой поляризацией. В работе автора [7] проведен анализ поляризации отраженного света от различных материалов при падении на него циркулярно поляризованного света. При этом была рассмотрена граница только двух сред.

Угловые спектры эллипсометрических параметров в условиях полного внутреннего отражения. Результаты расчетов

В настоящей работе проводится анализ эллипсометрических параметров отраженного от тонкой пленки света круговой поляризации в условиях наступления полного внутреннего отражения на ее границе. Геометрия задачи изображена на рис. 1.

Рис. 1. Геометрия отражения: исследуемая структура с показателями преломления n₁, n₂, n₃

Fig. 1. Geometry of reflection: the structure under study with refractive indices  n₁, n₂, n₃

Параметры отражательной эллипсометрии определяются следующим образом:

$\widehat{\rho }=\frac{R_p}{R_s}.$ (1)

Здесь $R_p$ и $R_s$ – амплитудные коэффициенты отражения для s- и p-поляризаций соответственно. Параметр  можно представить в виде

$\widehat{\rho }={\rho }_0{e}^{i\Delta },$ (2)

где ${\rho }_0$ – модуль эллипсометрического параметра; $\Delta$ – эллипсометрический угол. Часто ${\rho }_0$ представляют в виде

${\rho }_0=\text{tg\hspace{0.17em}}\Psi ,$ (3)

где $\Psi$ – второй эллипсометрический угол. Эллипсометрические параметры являются более чувствительными, чем обычные энергетические коэффициенты отражения и прохождения. В качестве первой среды была выбрана призма с диэлектрической проницаемостью ${\epsilon }_1=4.$ Исследуемые материалы – водосодержащая биологическая ткань ${\epsilon }_2=\mathrm{1,33,}$ а также меланин ${\epsilon }_2=\mathrm{1,6.}$ Наконец, третья среда – воздух ${\epsilon }_3=1.$ Длина волны падающего излучения $\lambda =\mathrm{0,64}\mu ,$ толщина пластинки $d=2\mu .$ Показатель преломления каждой среды определяется как корень квадратный из диэлектрической проницаемости. Из приведенных значений диэлектрических проницаемостей видно, что следует ожидать наступления полного внутреннего отражения при критическом угле падения. На рис. 2 показан угловой спектр отражения s-поляризованной составляющей отраженного излучения. А на рис. 3 – p-поляризованной составляющей. Из этих рисунков видно, что после наступления полного внутреннего отражения энергетические спектры отражения для обеих поляризаций становятся равными единице.

Рис. 2. Угловые энергетические спектры отражения RRs и прохождения TTs для пленки водосодержащей биологической ткани – для s-поляризации

Fig. 2. Angular energy spectra of reflection RRs and transmission TTs for a film of aqueous biological tissue – for s-polarization

Рис. 3. Угловые энергетические спектры отражения RRp и прохождения TTp для пленки водосодержащей биологической ткани – для p-поляризации

Fig. 3. Angular energy spectra of reflection RRp and transmission TTp for a film of aqueous biological tissue – for p-polarization

Рис. 4. Угловой спектр эллипсометрического параметра ${\mathit{\rho }}_{\mathbf{0}}$ отраженного света для пленок водосодержащей биологической ткани (1) и меланина (2)

Fig. 4. Angular spectrum of the ellipsometric parameter ${\mathit{\rho }}_{\mathbf{0}}$ of reflected light for films of aqueous biological tissue and melanin

Рис. 5. Угловой спектр эллипсометрического параметра Δ отраженного света для пленок водосодержащей биологической ткани (1) и меланина (2)

Fig. 5. Angular spectrum of the ellipsometric parameter Δ of reflected light for films of aqueous biological tissue and melanin

На рис. 4 показаны угловые спектры параметра эллипсометрии ${\rho }_0$ для двух материалов – биологической ткани и меланина. Следует отметить необычное поведение этого параметра для ткани – резкое возрастание при некоторых углах падения, особенно выделяется максимум при угле 24,5°. Детальный анализ причины этого явления показал, что максимумы обусловлены интерференционными минимумами амплитудного коэффициента отражения $R_s.$

На рис. 5 показан ход спектральной зависимости эллипсометрического угла Δ. Необходимо подчеркнуть, что для падающего циркулярно поляризованного излучения эллипсометрические параметры равны ${\rho }_0=\mathrm{1,}$ $\Delta =90.$ соответственно. Из рис. 2 видно, насколько сильно может исказиться исходно падающее излучение – из круговой поляризации в эллиптическую поляризацию отраженного света со значительно отличающимися полуосями за счет большого значения параметра ${\rho }_0.$

Особенно интересна изменчивая картина второго эллипсометрического параметра – мы видим, что даже после наступления явления полного внутреннего отражения этот параметр испытывает сильную угловую зависимость. Для различных материалов эта зависимость отличается, в то время как первый эллипсометрический параметр ведет себя в области ПВО одинаково для различных материалов. Проведенный анализ показал, что обнаружен интересный факт – полное внутреннее отражение наступает раньше, чем, если бы граничили только две среды – призма и исследуемый материал. Фактически ПВО наступает при угле падения 30 градусов, что соответствует критическому углу призма – воздух независимо от материала пленки.

Заключение

Проведен анализ эллипсометрических параметров отраженного света от системы «призма – исследуемый материал – воздух» при падении на нее циркулярно поляризованного света в условиях наступления явления полного внутреннего отражения. Показано, что изначально поляризованное по кругу падающее излучение при отражении превращается в эллиптически поляризованное, причем существуют фиксированные области углов падения, где это изменение поляризации наиболее выражено. При наступлении полного внутреннего отражения параметр эллипсометрии демонстрирует высокую изменчивость с углом падения в отличие от параметра ${\rho }_0.$  Показано, что ПВО наступает при значении угла падения, не равного критическому углу граничащих сред – для двух разных материалов эти углы отличаются. В случае пленки явление ПВО наступает при угле, равном критическому углу на границе призма – воздух и не зависит от материала пленки.

About the authors

Valeriy V. Yatsishen

Author for correspondence.
Email: yatsyshen.valeriy@volsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4185-2333

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Forensic Science and Physical Materials Science, Institute of Priority Technologies

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Geometry of reflection: the structure under study with refractive indices n1, n2, n3

Download (24KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Angular energy spectra of reflection RRs and transmission TTs for a film of aqueous biological tissue – for s-polarization

Download (252KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Angular energy spectra of reflection RRp and transmission TTp for a film of aqueous biological tissue – for p-polarization

Download (226KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Angular spectrum of the ellipsometric parameter of reflected light for films of aqueous biological tissue and melanin

Download (195KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Angular spectrum of the ellipsometric parameter Δ of reflected light for films of aqueous biological tissue and melanin

Download (447KB)

Indexing metadata