用衰减全反射法研究极薄介质层的光学性质

本文主要研究了利用衰减全反射法(Attenuated Total Reflection, ATR)来研究极薄介质层的光学性质。此法不同于传统光学方法，通过测量极薄介质层覆盖的银膜的衰减全反射谱(ATR谱)并进行拟合运算，可以确定极薄介质层的光学常数，即折射率和消光系数。根据实验条件，本研究能够测量介质层厚度达到5埃米(Å)的极薄介质。 衰减全反射法的原理基于倏逝波与表面等离子波(Surface Plasmon Wave, SPW)的相互耦合。倏逝波是在全反射时，入射光在介质内部产生的电磁波，其振幅随着距离介质表面的增加而指数衰减。当倏逝波的波矢与金属表面的表面等离子波波矢匹配时，能量就被耦合到表面等离子波中，在全反射区域形成一个衰减峰。耦合效率取决于这两种波的波矢匹配程度。 研究中采用了Kretschmann配置方法，即通过改变入射角来改变波矢匹配，从而测量银膜以及银膜上极薄介质层的ATR谱。利用拟合计算获得银膜和介质层的光学常数，这为研究物质在界面和表面的微小变化提供了新的手段。由于ATR谱对表面和界面的微小变化非常敏感，因此可以用来精确测量极薄介质层的光学常数。 根据Maxwell方程和边界条件，可以得知表面等离子波的激励条件：仅TM(Transverse Magnetic)波能够激发表面等离子波；界面两侧的介电常数符号必须相反；第三，表面等离子波的色散关系必须得到满足。基于这些条件，研究了棱镜-金属-介质层-真空的系统，通过改变入射角来测量ATR谱。根据测得的ATR谱，可以确定金属膜的厚度和介电常数。使用微分修正法，将实验测量的ATR谱与理论函数曲线拟合，得到金属膜层和介质层的光学常数。 研究的实验装置包括带有布儒斯特窗的半外腔He-Ne激光器作为光源，偏振器用于决定入射光的偏振方向，调节光强的P2，以及用于样品制备的等边棱镜。棱镜的折射率为1.7254，样品放置在棱镜之上。转台由直流伺服电机带动，可以实现入射角的扫描。接收器为装有光强衰减器的光电倍增管，其输出信号经X-y记录仪和计算机处理，实现数据的记录和实时拟合运算。 通过上述方法，研究者能够测量和分析极薄介质层的光学性质，不仅加深了对极薄介质层光学特性的理解，还为光学和材料科学领域提供了新的测量手段。实验结果表明，利用衰减全反射法可以准确地测量到介质层厚度为5埃米级别的极薄层，这有助于物理学家和材料科学家研究物质在微观层面的光学行为。