Многоугловые спектрофотометрические методы отражения для определения коэффициентов преломления

Рассмотрены особенности разработки и применения методик выполнения измерений коэффициентов преломления, основанных на многоугловых спектрофотометрических методах отражения. Описано влияние формы, размеров и обработки поверхности образцов на их спектральные зависимости отражения. Показана возможность определения коэффициентов преломления двумя спектрофотометрическими методами: по спектру отражения от одной грани при малом угле падения света, близком к нормальному, и методом отражения при падении света при угле Брюстера. Метод отражения при угле падения, близком к нормальному, может применяться в случае непоглощающего образца, который характеризуется коэффициентом экстинкции не превышающем (10^-6—10^-4). Этот метод является «экспресс-методом», поскольку позволяет сразу получать дисперсионную зависимость коэффициента преломления. Метод позволяет измерять дисперсионные зависимости коэффициентов преломления для образцов, форма которых исключает многократные отражения: пластин с одной шлифованной стороной; пластин большой толщины, полированных с двух сторон; призм или пластин с неплоскопараллельными гранями. При измерении по методу Брюстера не предъявляются требования к значению коэффициента экстинкции образца (поглощению), можно использовать образцы любой формы, в том числе, полированные с двух сторон пластины малой толщины. Однако получаемые значения коэффициентов преломления дискретны, требуется накопление большого массива результатов измерений. Определена точность измерений обоих методов, которая составляет Δ = ±0,001 при доверительной вероятности P = 0,95. Применимость спектрофотометрических методик измерения показана для образцов гадолиний-алюминий-галлиевого граната, относящегося к кристаллам кубической сингонии и характеризующегося наличием одного коэффициента преломления. Показано, что значения коэффициентов преломления, полученные данными методами, хорошо соотносятся в пределах точности измерений.

многоугловые спектрофотометрические методы отражения, спектральные зависимости отражения, s-поляризация, p-поляризация, коэффициент экстинкции, угол Брюстера, коэффициент преломления

1. Шендрик Р. Ю. Методы экспериментальной физики конденсированного состояния. Введение в физику сцинтилляторов: учебное пособие. Иркутск: Изд-во Иркутского Государственного Университета, 2013. 110 с.

2. Ogiegło J. M. Luminescence and energy transfer in garnet scintillators: PhD Thesis. Utrecht, 2012. 118 p.

3. Lecoq P. Development of new scintillators for medical applications // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2016. V. 809. P. 130—139. DOI: 10.1016/j.nima.2015.08.041

4. Tamulaitis G. Fast optical phenomena in self-activated and Ce-doped materials prospective for fast timing in radiation detectors // Engineering of scintillation materials and radiation technologies, Springer Proceedings in Physics. 2017. V. 200. P. 35—54. DOI: 10.1007/978-3-319-68465-9_2

5. Dorenbos P. Directions in scintillation materials research // Radiation Detectors for Medical Applications. 2006. P. 191—207. DOI: 10.1007/1-4020-5093-3_8

6. Ханин В. М. Сцинтилляционные процессы в активированных церием керамиках со структурой граната: диcс. канд. физ.-мат. наук. СПб., 2017. 173 с.

7. Alenkov V., Buzanov O., Dosovitskiy G., Egorychev V., Fedorov A., Golutvin A., Guz U., Jacobsson R., Korjik M., Kozlov D., Mechinsky V., Schopper A., Semennikov A., Shatalov P., Shmanin E. Irradiation studies of a multi-doped Gd3Al2Ga3O12 scintillator // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2019. V. 916. P. 226—229. DOI: 10.1016/j.nima.2018.11.101

8. Seitz B., Stewart A. G., O’Neill K., Wall L., Jackson C. Performance evaluation of novel SiPM for medical imaging applications // IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC). 2013. P. 1—4. DOI: 10.1109/NSSMIC.2013.6829685

9. Basiev T. T., Osiko V. V. New materials for SRS lasers // Russian Chemical Reviews. 2006. V. 75, N 10. P. 847—862. DOI: 10.1070/RC2006v075n10ABEH003626

10. Khanbekov N. D. AMoRE: Collaboration for searches for the neutrinoless double-beta decay of the isotope of 100Mo with the aid of 40Ca100MoO4 as a cryogenic scintillation detector // Physics of Atomic Nuclei. 2013. V. 76, N 9. P. 1086—1089. DOI: 10.1134/S1063778813090093

11. ГОСТ 8.654-2016 Государственная система обеспечения единства измерений. Фотометрия. Термины и определения. Москва: Стандартинформ, 2016. 12 с.

12. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984. 944 с.

13. Сивухин Д. В. Общий курс физики: учебное пособие для вузов (в 5 т.). Т. 4. Оптика. М.: Физмалит, 2005. 792 с.

14. Борисенко С. И., Ревинская О. Г., Кравченко Н. С., Чернов А. В. Показатель преломления света и методы его экспериментального определения. Томск: Томский политехнический университет, 2014. 146 с.

15. Шубников А. В. Основы оптической кристаллографии. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1959. 205 с.

16. Федоров Ф. И. Оптика анизотропных сред. Минск: Изд-во Академии Наук БССР, 1958. 381 с.

17. Кларк Э. Р., Эберхардт К. Н. Микроскопические методы исследования материалов. М.: Техносфера, 2007. 375 с.

18. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для физиков и биологов. М.: Техносфера, 2007. 368 с.

19. Лодочников В. Н. Основы кристаллооптики. М.; Л.: Госгеолиздат, 1947. 268 с.

20. Фабелинский И. Л. Молекулярное рассеяние света. М.: Наука, 1965. 511 с.

21. Веселаго В. Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления // Успехи физических наук, 2003. Т. 173, № 7. С. 790—794. DOI: 10.3367/UFNr.0173.200307m.0790

22. Тептин Г. М., Хуторова О. Г., Зинин Д. П., Хуторов В. Е. Исследование мезомасштабных неоднородностей коэффициента преломления радиоволн в тропосфере методами численного моделирования // Известия вузов. Радиофизика. 2010. Т. 53, № 1. С. 1—13. https://radiophysics.unn.ru/sites/default/files/papers/2010_1_1.pdf

23. Букин О. А., Быкова Е. А., Голик С. С., Землянов А. А., Гейнц Ю. Э., Ильин А. А., Кабанов А. М., Матвиенко Г. Г., Ошлаков В. К., Соколова Е. Б. Филаментация остросфокусированного ультракороткого лазерного излучения на 800 и 400 нм. Измерения нелинейного коэффициента преломления воздуха // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24, № 5. С. 351—358.

24. Лагарьков А. Н., Кисель В. Н. Качество фокусировки электромагнитного излучения плоскопараллельной пластиной из вещества с отрицательным коэффициентом преломления // Доклады Академии наук, 2004. Т. 394, № 1. С. 40—45.

25. Вендик И. Б., Вендик О. Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот (Обзор) // Журнал технической физики, 2013. Т. 83, № 1. С. 3—28. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/41403

26. Паршуков В. А., Кутуза Б. Г. Астрономическая рефракция в условиях слоистых неоднородностей коэффициента преломления воздуха // Радиотехника и электроника, 2012. Т. 57, № 2. С. 33.

27. Днепровский В. С., Жуков Е. А., Кабанин Д. А., Лясковский В. Л., Ракова А. В., Wumaier T. Нелинейное поглощение и преломление света в коллоидном растворе квантовых точек CdSe/ZnS при резонансном двухфотонном возбуждении // Физика твердого тела, 2007. Т. 49, № 2. С. 352—356. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/2939

28. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 720 с.

29. Кизель В. А. Отражение света. М.: Наука, 1973. 352 с.

30. Вавилов В. С. Действие излучений на полупроводники. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. 264 с.

31. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 664 с.

32. Ефимов А. М. Оптические свойства материалов и механизмы их формирования. СПб.: СПбГУИТМО, 2008. 103 с.

33. ГОСТ 28869-90 Материалы оптические. Методы измерений показателя преломления. М.: Изд-во стандартов, 2018. 17 с.

34. Иверонова В. И., Белянкин А. Г., Мотулевич Г. П., Четверикова Е. С., Яковлев И. А. Физический практикум: электричество и оптика. М.: Наука, 1968. 818 с.

35. Kozlova N. S., Kozlova A. P., Goreeva Zh. A. Spectrophotometric methods and their capabilities to study material optical parameters // IEEE 2nd International Ural Conference on Measurements (UralCon). Chelyabinsk (Russia), 2017. P. 281—288. DOI: 10.1109/URALCON.2017

36. Kozlova N. S., Kozlova A. P., Zabelina E. V., Goreeva Zh. A., Didenko I. S., Burt T. Spectrophotometric Methods of Refractive Indices Measurement. Measuring the refractive index of single crystal optical materials using two methods // Agilent Application Note, 2019. URL: https://www.agilent.com/cs/library/applications/application-refractive-index-cary-5000-uv-vis-5994-0052en-us-agilent.pdf

37. Kozlova N. S., Goreeva Zh. A., Zabelina Ev. V. Testing quality assurance of single crystals and stock on their base // IEEE 2nd Internat. Ural Conf. on Measurements (UralCon). Chelyabinsk (Russia), 2017. P. 15—22. DOI: 10.1109/URALCON.2017.8120681

38. Гореева Ж. А., Быкова М. Б., Козлова А. П., Сидорин В. В., Диденко И. С., Забелина Е. В. Роль стандартных образцов в обеспечении единства измерений оптических свойств монокристаллов и заготовок на их основе // II-я Международная научная конференция «Стандартные образцы в измерениях и технологиях». Екатеринбург, 2015. С. 214—218.

39. Palik E. D. Handbook of optical constants of solids. New York: Academic press, 1998. 3224 p.

40. Kozlova N. S., Buzanov O. A., Kasimova V. M., Kozlova A. P., Zabelina E. V. Optical characteristics of single crystal Gd3Al2Ga3O12 : Ce // Modern Electronic Materials. 2018. V. 4, N 1. P. 7 —12. DOI: 10.3897/j.moem.4.1.33240

41. Kозис Е. В., Задерновский А. А. Экспериментальное определение показателя преломления прозрачного материала различными методами: лабораторная работа. М.: МИРЭА, 2002. 12 с.

42. Stephenson D. Modeling variation in the refractive index of optical glasses. Thesis. New York: Rochester Institute of Technology, 1990. 163 p.