Tán sắc ánh sáng trên bề mặt nhám không có thiết bị ATR

Tán sắc ánh sáng trên bề mặt nhám không có thiết bị ATR Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Tán sắc ánh sáng trên bề mặt nhám không có thiết bị ATR Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Tán sắc ánh sáng trên bề mặt nhám không có thiết bị ATR Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Tán sắc ánh sáng trên bề mặt nhám không có thiết bị ATR Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Tán sắc ánh sáng trên bề mặt nhám không có thiết bị ATR Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Tán sắc ánh sáng trên bề mặt nhám không có thiết bị ATR Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap

MỤC LỤC

1 Đo sự phân bố góc của ánh sáng tán xạ trong nón ánh sáng (kx< ω/c ) Cường độ ánhsáng được đo là ánh sáng phản xạ khỏi mặt nhám Nó thường được biết đến như sự khếch tánánh sáng tạo bởi mặt nhám như trong hình 2.4 như mọi quá trình tán xạ bắt đầu tại điểm 1 với

kx, vector sóng của tia tới, và kết thúc tại mọi điểm bên trong nón ánh sáng, di chuyển đoạnΔkx Surface plasmon bắt đầu có liên quan khi độ nhám tăng và do đó Δkx cũng lớn hơn.Quátrình này được chứng minh từ 1 – 4 (ghép nối cách tử) Sự kích thích có thể nhìn thấy trong sựphân bố góc tán xạ

2 Đo sự suy giảm cường độ của tia phản xạ ΔR dựa trên sự mất mát năng lượng tán xạ

và kích thích SPs bằng bộ ghép nối cách tử Sự suy giảm này khó có thể nhận biết ở bề mặt ítnhám, do đó để thu được ΔR đủ để tính toán ta cần có bề mặt nhám đủ lớn Như sau:

Phương pháp đầu tiên tính (1/I0)dI/dΩ, phương pháp thứ 2 tích hợp tất cả các góc θ làmmột để tính

Hình 5.1: Ánh sáng tán xạ trên bề mặt nhám, ngoài tia phản xạ R 0 , các tia tán xạ tự do đều

được quan sát

5.1 Phân bố góc ánh sáng tán xạ trên bề mặt nhám

Hiện tượng tán xạ ánh sáng tự do trên bề mặt nhám đã được biết đến khá rõ Từ khi SPs không

còn liên quan trực tiếp, tức là không còn sự can thiệp tăng cường cộng hưởng, phân cực p hay s

đều đã được nghiên cứu Kết quả nghiên cứu được thể hiện ở hình 5.1, tuy nhiên, không có R0nhưng ánh sáng tán xạ theo góc dΩ Đây là góc được xét đặc biệt

Xem xét lí thuyết

Hiệu ứng này đã được tính toán đầu tiên cho sóng radio thông quá sóng biển [5.1] Kếtquả thu được có mối quan hệ tương đương khi thử nghiệm với bước sóng khác nhau δλ và δσ[5.2 – 5] Các tia sáng tán xạ theo góc khối dΩ Trong mặt phẳng có ϕ = 0, kết quả thu đượcnhư sau:

Nó không được tăng cường bởi SPs, tuy nhiên, không thể nói chung việc giảm cường độmạnh mẽ mà không có yếu tố ||2, từ khi hàm tính góc (5.2,3) và |W(θ)|2 (3.1) phụ thuộc vào cấuhình thử nghiệm Hơn nữa người ta phải xem xét rằng 2 có thể khác trừ được giữ giống nhau

trong cả 2 cấu hình Các thông số i, k chỉ ra sự phân cực của p và s

Một kết quả của Wii tại ϕ=0o với số phức ε(ω) và mặt phẳng nhám giả định:

Hay tóm lại là, với mỗi ϕ thì góc giữa mặt phẳng góc tới với mặt phẳng quan sát, thaycho là :

|Wpp|2cos2 ϕ + |Wss|2sin2ϕ (5.1a)

Hình 5.2 là đồ thị của Wii, phân cực p mạnh hơn phân cực s (Wpp=0 cho điều kiệnBrewster), Wsp và Wps bằng 0 tuyến tính (ϕ=0o ) Với |W(θ)|2 sẽ đối xứng khi θ0 = 0, và bất đốixứng khi θ0> 0

So sánh giữa 2 biểu thức Ipp/Iss =|Wpp|2/|Wss|2 với thương số như hàm của θ đưa ra tínhthống nhất của các giả định (xem hình 5.2)

Hình 5.3: Phân bố góc tán xạ tự do (λ = 5145Å) tại mặt phẳng bạc với độ dày là 4000Å, δvới tia tới thông thường p và s phân cực khác nhau Độ khử cực (sp và ps) nhỏ hơn 10 lần Góc

khối đầu dò ở khoảng 8.10 -5 sr

Việc sắp xếp thí nghiệm ở Hình 3.7,1 cho phép so sánh việc xác định

2 ( x)

s k∆

của bề mặt màn chắn với cả hai phương pháp, có và không có SPS bằng cách chuyển một nửa xi lanh

1800 Một sự thỏa thuận tốt đã được nêu cho độ dày màn chắn là 500-700

Đo sự phân bố góc của cường độ ánh sáng trên màn chắn bạc và vàng ở tỷ lệ bình thường

đã được công bố đầu tiên của Beaglechole và Hunderi như hình 5.6

Hình 5.6: phân phối góc của cường độ ánh sáng rải rác tại các bề mặt bạc thô đo dưới (a) và

ở trên (b)

Các tác giả cho thấy những đường cong đầy đủ có thể thu được bằng cách liên quan đến một quá trình kép: với sự gia tăng Roughness, kích thích sự tán xạ pp SPs nằm rải rác vào nón ánh sáng và sản xuất dư thừa của bức xạ của ánh sáng Lời giải thích này được hỗ trợ bằng cách sử dụng năng lượng photon trên năng lượng plasma bề mặt ( 3,7 eV ) để kích thích SPs không thể diễn ra, hình 5.6b Tác động thứ hai Hình 5.6a mạnh hơn ở hình 5.3 do một giá trị lớn hơn δ

mẫu Các giá trị Roughness lớn hơn được hiển thị bằng một so sánh của

p sc

trong khí ở hình 5.6

4 60*10

p sc

Nếu giả định rằng P~S2 vẫn còn hiệu lực và giá trị của δ

khoảng 60-70

0

A

kết quả cho màn chắn được đề cập trong Hình 5.6a đó có vẻ hợp lý Beaglehole và Hunderi đã thực hiện một tính toán thứ hai để tán xạ cường độ này mà phù hợp với các hành vi quan sát

Một lập luận thêm cho quá trình hai lệnh này là quan sát số phản xạ với vượt qua phân cực: ánh sáng đến p phân cực, ra đi ánh sáng phân cực s hoặc ngược lại trong trường hợp của ánh sáng tỷ lệ s phân cực bình thường có nghĩa là: vector E vuông góc với mặt phẳng quan sát

và p phân cực ánh sáng: vector E trong mặt phẳng

Figure 1 Phân bố góc của sự phân tán ánh sáng tán xạ (λ= 5145A) tại bề mặt bạc có độ dày 4000A và δ = 10- 15A với góc tới thông thường p và s biểu diễn các phân cực khác nhau.

Mức độ khử phân cực nhỏ hơn khoảng 10 lần.

Từ hình 1 ta có cường độ của tán xạ sp và ps yếu hơn cường độ pp Đó là đặc trưng của cường độ sp với giá trị θ cực đại là 50 Trong hình 2 cường độ ps giảm tuyến tính như tán xạ

ss Sự tăng lên của tán xạ sp do quá trình nhân đôi Sự chuyển đối ánh sáng tới thành ánh sáng

p và kích thích SPs thành bức xạ

Figure 2 Phân bố góc của cường độ chéo (sp và ps) Đồ thị bên trái biểu diễn sự tăng lên biến

mất nếu ánh sáng tới có tần số ω > ω s.

Sự giải thích đã đc xác minh bởi thí nghiệm tương đương ở Hình 3: phép đo với tần số của ánh sáng ω > ωs chứng tỏ sự tăng lên biến mất dưới những điều kiện đó

Figure 3 Phân bố góc của cường độ ánh sáng tán xạ trên bề mặt bạc thô đo được lớn hơn

hωsp Đường gạch biểu diễn hình dạng của đường cong xấp xỉ tuyến tính.

Thông tin về đặc điểm quá trình nhân đôi trên tầm phim bạc nổi bật tại điểm có đường kính 890A, Hình 4

Thí nghiệm tương tự với ánh sáng tán xạ khuếch tán từ phim bạc, độ dày 5000A, được làm nhám bởi lớp dưới của CaF2 với độ dày 1000A Kết quả chứng minh phép đo lường đã được mô tả, các hình dạng khác nhau của phân bố góc của ánh sáng pp và ss và ánh sáng của sp

và ps

Figure 4 (a) Cường độ tán xạ (1/I o )dI/dΩ từ phim bạc thô với hàm góc tán xạ θ Tỉ lệ bình thường (θ 0 = θ), λ = 4579 A 4 thông số phù hợp cho sẵn là δ = 40 A và σ = 790 A và gợn sóng tại 4 A và 7000A (b) Ví dụ tương tự cho kết quả sự phân bố góc của cường độ s-p và p-s.

Trong những thí nghiệm đã đc đề cập đến trước đó , cường độ tăng quan sát được của giá trị Δkx nhỏ hơn ở vùng có θ = 20-30o thay vì tiếp cận tọa độ mượt hơn Bước sóng dài tương quan giảm trên bề mặt nhám

Nếu cường độ tán xạ được miêu tả bởi hàm Gaussian với miền Δkx

P = = const (1 – kx2 σ2 / 4)

Với kx2 < 4/ σ2 , Δkx = kx tại tỉ lệ thông thường Hằng số chứa kx phụ thuộc vào Wik , Wpp

có thể coi như 1 hằng số với 1 khoảng kx cho trước Đường cong cách tiếp cận tọa độ gần như theo chiều ngang nếu P có điều kiện kx thuộc θ < 30o Quan sát giá trị P, tuy nhiên lại tăng độ

dốc tại giá trị kx nhỏ Nó chỉ ra rằng tại khu vực có kx nhỏ hoặc thành phần bước sóng dài Λ xuất phát từ cầu trúc nhám , có thể thuộc các dữ liệu bề mặt.

Thành phần bước sóng dài tại Δkx < 1x 10-3 A-1 có thể được phỏng đoán và sản phầm của Λ khoảng 1µm, giá trị của δ khoảng 2 A và σ = 7500Å

Nhận xét về quá trình nhân đôi

Những thí nghiệm trước chứng minh sự ảnh hưởng của quá trình thứ 2 Gần đây, mối quan hệ tuyến tính trong đó sản lượng sự phụ thuộc của cường độ tán xạ Pss và Ppp trên δ2 đc mở rộng bởi sử dụng giới hạn với δ4 Do đó, phương pháp nhân đôi có thể đưa vào tài khoản trong Ppp

và Pss và t iếp tục cho cường độ chéo Psp và Pps Các tính toán dựa trên lý thuyết của Brown và cộng sự

Các phép tính được thể hiện bằng một hàm Gaussian và các giá trị δ khác nhau: 5,15,

25, 40, 70, 120 và 150Å σ =1000 Å and λ =5145 Å Hình 5.9 miêu tả một ví dụ cho δ

=40*10^-10 nó thể hiện đặc trưng cuả những đoạn lồi.: đường pp rộng hơn so với đường ss bởi 2 lí do: (1) hàm tần số góc hộ.Wpp lớn hơn Wss; nó là giá trị hoàn toàn trong tuyến tính tương đối (2) Quy trình lồng ghép Sự ungr hộ của SPđã theo bởi nhưngx người không ủng hộ

và sự ô nhiễm ánh sáng., cái sản xuất ánh sang p đính kèm Hơn thế nữa, trái ngược với sự giảm xuống của ánh sáng ps, ở đây có một đương lồi mạnh trên đường sp và giờ được nhận ra trong giao điểm cường độ

So sánh các đường cong của mẫu này với các giá trị δ khác nhau, các kết quả tiếp theo

có thể được phát sinh là

1, thương số (ss/pp) lớn nhất tại θ xấp xỉ 52 độ, giá trị lớn nhất của cường độ sp, gần như không thay đổi, 2,5+/- 0.3, phụ thuộc vào sixma

2, thương số (sp/ps) giảm rất chậm từ 6.7 tới 3

3, thương số (ss/ps) lấy tại giá trị θ =52 độ, giảm rất nhanh khoảng 10^3 khi sự tăng độ

gồ ghề

Kết quả (1) và (2) là kết quả của kết quả của thực tế rằng P(pp) và P (ps) phụ thuộc vào

δ ^2, trong khi đó P (sp) và P (ps) phụ thuộc vào δ ^4 Kết quả (3) đến từ sự phụ thuộc khác nhau vào δ, chính vì thế ss/ps xấp xỉ 1/ δ ^2

Kết quả rất sơ lược của những tính toán này có thể được cô đọng trong các mỗi quan hệdưới đấy: những gói tới thông thường (thường là gamma (0)= 0 độ, các điểm cường độ lân cận

(hoặc là hệ số pharn chiếu lân cânj như sau:

{}thể hiện sự sửa chữa đối với lần đầu đặt Mối quan hệ cho A1, B1 và B2 là quá cồng kềnh đểtái sản xuất tại đây, hãy nhìn 4.15

Nó tồn tại mọt điều để hỏi rằng bảng 5.3 thể hiện không có bulge tại các điểm sp

scattering tại một diểm sp lân cận và ít gồ ghề.có một khả năng đó là điểm sóng dài tại một

kx<10-3 Å-1 cái này phụ thuộc vào cấu trúc của cuả nền được đưa ra bởi các giá trị δs và σs là ít hay nhiều không phụ thuộc điểm gồ ghề của đĩa phim bạc.

Kể từ khi Psp và Pps tăng lên chóng mặt với sixma^4, cấu trúc bulge sẽ xuất hiện tại giá trị δ lớn hơn

5.2 Scattering của X-quang

Khi sự tán xạ mà không có SPs các thí nghiệm với tia X và kết quả của họ sẽ được cập nhật, dựa trên các phương trình tương tự Các quan sát với X-quang được thực hiện ở tỷ lệ chănthả để thực hiện điều kiện δ<λ Với góc của gương phản ánh θ0 , trạng thái này chính xác hơncos θ0 - δ << λ hoặc sự chiếu thô trên hướng chùm tia phải được << λ Nếu λ xấp xỉ 5-10Å và được so sánh với λ hoặc nhỏ hơn, θ0 đã được đạt 90o Ví dụ, λ = 8,3 Å(Al, K) và θ0 = 89o đáp ứng điều kiện này và do đó cho phép các ứng dụng của lý thuyết tán xạ tuyến tính Hơn nữa, cường độ phản xạ sẽ cao Tỷ lệ grazing có ưu điểm là θ0 ^ 1 ° nhỏ hơn góc tới hạn của phản xạđảm bảo một số phản xạ ít nhất 20% °

Sự quan tâm của thí nghiệm X-quang như nằm ở tính khả thi của việc xây dựng kính thiên văn của các loại Wolter cho x-ray thiên văn học Những gương cần rất trơn tru để giảm thiệt hại do độ nhám tán xạ từ các đối tượng X-quang phát ra ở một cường độ rất yếu

Cường độ phân tán được đưa ra bởi các mối quan hệ (5.1) Sự quan tâm của thí nghiệm X-quang như nằm ở tính khả thi của việc xây dựng kính thiên văn của các loại Wolter cho x-ray thiên văn học Những gương cần rất trơn tru để giảm thiệt hại do độ nhám tán xạ từ các đối tượng X-quang phát ra ở một cường độ rất yếu

Cường độ phân tán được đưa ra bởi các mối quan hệ (5.1)

Khi θ và θ0 gần bằng 90o, hàm lưỡng cực 2, nhìn vào hình ( 5.2,3) suy biến

với φ = 90 – θ [ 2.4, chương 9, trang 397, (48) ] :

Wpp = Wss= 4φoφ

P = φoφMối quan hệ này đúng cho chất cách điện hay kim loại nếu φovà φ nhỏ hơn ( xem

độ phân tán là quầng sáng tập trung xung quanh tia phản xạ Đây là 1 trường hợp hạn chế điểnhình, trong đó kết quả của nó độc lập với hướng phân cực của trường điện từ, xem ( 5.7) Nóđược gọi là “trường vô hướng”.

Một ví dụ về phép đo như vậy được thấy trong hình 5.10a Mật độ phân tán xuất hiệnnhư một quầng xung quanh chùm tia trung tâm Kết quả cũng không rõ ràng lắm từ bề mặtkhông trơn, nhưng những cánh xung quanh trung tâm hiển thị rõ ràng mật độ do sự tán xạ bởi

độ nhám

Sao cho biến đổi furier

Off specular direction : hướng phản chiếu (arcmin), norm intensity : cường độ định mứcHình 5.10 (a), khuếch tán tán xạ tia X, λ = 8.3Å, của một bề mặt kanigin xung quanh chùm tiaphản chiếu góc tới 98o các hàm khác nhau về độ nhám được chuẩn bị thì hàm mũ là phụ hợp

nhất Sự phân bố cường độ bị ảnh hưởng khi -  o> 40 arcmin ở mặt phản xạ Từ [5,13] (b)phân bổ cường độ xung quanh chùm tia phản chiếu phản xạ vào gương zerodur ở một gócgrazing của 60 arcmin cho λ = 8.3Å bề mặt này cơ bản được đánh bóng tốt hơn sao cho chùmphản chiếu mạnh hơn Quầng sáng là do sự tán xạ khuếch tán của bề mặt, trong khi cường độtrong môi trường trực tiếp của tia phản chiếu ở giá trị nhỏ kx điểm điều chế bước sóng dàitương tự như hiện tượng tán xạ ánh sáng, xem Chap 3 Từ [5,13].

(5.11)Các thông số nhám là δ = 86 ± 10 Å và σ = 11 ± 6 mµ[5.13]

Bề mặt được đánh bóng tốt hơn của gương Zerodur tráng 1 lớp màng bằng vàng hàngtrăm (1.0 × 10-10 meters) với giá trị độ dày δ = 2.7 ± 0.1 Å đến 4.9 ± 0.1 Å và σ = 2.6 ± 0.7 tới5.0 ± 2.5 mµ Những mô hình phân tán có một chùm phản chiếu của phụ cận bốn điểm cao hơn

so với cường độ hào quang, xem hình 5.10b [5.13] Đáng chú ý là các mô hình hiển thị rất gầnvới chùm cơ bản (với i± 5 arcmin) cường độ dư thừa trong đó có rất có thể là nguồn gốc tương

tự như cường độ ở giá trị thấp ∆kx trong hình 3.8 và 5.4, cụ thể là trong gợn sóng của bề mặt.Điều ngạc nhiên là Λ, bước sóng của nó, trong các ví dụ này có giá trị gần bằng vàimillimicrons Có lẽ nó bắt nguồn từ chế tạo các bề mặt

Những giá trị của chiều cao r.m.s của bề mặt gương đã được xác nhận bằng các phép đotrên các mẫu giống nhau cùng với sự can thiệp của kính hiển vi điện tử, trong đó có một độphân giải không gian cao bình thường với bề mặt; độ phân giải ngang là độ phân giải dựa theothứ tự của các bước sóng ánh sáng Ví dụ, giá trị trung bình của nhám δ = 2,5 ± 0,4 Å thu đượcvới X-quang đồng nhất với giá trị 2,7 ± 0,9 Å được đánh giá bằng kính hiển vi điện tử từ nhữngmẫu vật giống nhau [5.12]

Phương pháp phản xạ của X-quang trong tỷ lệ tán cũng đã được áp dụng để nghiên cứu

"nhám" của một bề mặt nước, chiều cao r.m.s khoảng 3,2 Å đã được đo đạc, diện tích trungbình trên bề mặt của 3000Å x 3000Å [5.14]

5.3 Đo lường độ mất mát phản xạ-hàm bước sóng

Những kinh nghiệm trên bề mặt Nhôm (Al) từ trước đó, với góc tới theta phù hợp đã chỉ

ra rằng: độ dốc trên hàm mật đô phản xạ là một hàm của bước sóng lamda (lamda=1300Å)[hình 5.15,16] Điều không bình thường này được kiểm nghiệm lại trên Bạc (Ag) và

sáng tới (bộ nhiễu xạ),và sự suy giảm ánh sáng phản xạ trong vùng năng lượng hw<hw_sp.Cách lý luận này đã được kiểm nghiệm lần nữa trên lớp nền của CaF2, MgF2 trước khi làm bốchơi films metal lên chúng Độ mất mát tăng khi độ dày của lớp pha lê tăng hoặc tăng độ ghồghề của tấm film Nhôm[hình 5.11].

Độ dốc delta R là nguyên nhân tạo ra đỉnh trong độ hấp thu A, do 1=R+A+T, sự truyềndẫn T=0 nên giảm R thì tăng A Nó dường như phụ thuộc vào e'', thành phần ảo của e(w), bướcsóng lamda, tấm film Nhôm[hình 5.12] Film 1-4 được sửa lại với tốc độ bay hơi xấp xỉ 100A/strên lớp kính chưa được xử lý Độ ghồ ghề được làm tăng lên trên tấm film MgF2, độ dày2000Å Sự dao động là nguyên nhân cho sự biến đổi của các tham số[5.18]

Hình 5.11: So sánh đo lường và tính toán độ phản xạ trên bề mặt ghồ ghề của tấm film Nhôm bay hơi (dày 800-10Å), góc tới 10 o Tính toán đường cong của các tham số (,) tương ứng

(12.1;918), (14.7;744), (37.7;378) từ trên xuống dưới.