¿Obtiene resultados no físicos al resolver el índice de refracción de una losa?

Estoy tratando de encontrar computacionalmente los índices de refracción (reales e imaginarios) para una losa delgada suspendida en el aire (por lo que los únicos índices con los que lidiar son el aire y el de mi material). Experimentalmente he tomado medidas de transmisión y reflexión de intensidad en un cierto rango de longitud de onda.

De un capítulo de un libro de texto que leí,

r i j [ norte i , norte j ] = ( norte i norte j ) / ( norte i + norte j )
t i j [ norte i , norte j ] = ( 2 norte i ) / ( norte i + norte j )
r = ( r i j [ norte 1 , norte 2 ] + r i j [ norte 2 , norte 3 ] mi 2 i π norte 2 d / λ ) / ( 1 + r i j [ norte 1 , norte 2 ] r i j [ norte 2 , norte 3 ] mi 2 i π norte 2 d / λ )
t = norte 3 / norte 1 ( t i j [ norte 1 , norte 2 ] t i j [ norte 2 , norte 3 ] mi 2 i π norte 2 d / λ ) / ( 1 + r i j [ norte 1 , norte 2 ] r i j [ norte 2 , norte 3 ] mi 2 i π norte 2 d / λ )
y
T = | t | 2
,
R = | r | 2

para la transmisión y reflexión de una onda plana a través de una 'losa' (aunque puede que me falte un factor de 2 en un par de lugares. He usado corchetes de estilo Mathematica para las funciones).

De aquí, T y R son ambas funciones de norte 1 (el aire, ~1) y norte 2 mi materia ( norte 3 es aire de nuevo, aquí). Así que matemáticamente debería ser capaz de averiguar norte 2 para cada T y R par, en cada longitud de onda.

Así que he hecho esto. Tengo Mathematica (MM) para encontrar el norte 2 que minimiza

( T T mi X pag ) 2 + ( R R mi X pag ) 2
en cada longitud de onda. Luego, para ver qué tan cerca está, conecto norte 2 Vuelva a la ecuación original y compárela con mis resultados experimentales para ver qué tan cerca coinciden.

El problema es que coinciden increíblemente bien, pero los resultados que obtengo para norte 2 no son realistas (más específicamente, la parte real de norte 2 es negativo, y este no es un material de índice de refracción negativo...). Aquí hay un ejemplo gráfico de lo que quiero decir (el eje horizontal es la longitud de onda, en unidades de micras. El eje vertical no tiene unidades para todos):

exp. nsY aquí he trazado los valores de T y R de mi calculado norte 2 's (verde y negro) sobre el primer gráfico. Como puede ver, son tan similares que no se nota, excepto en las colas más a la izquierda.teoría de la exposición

¿Qué podría estar pasando? Una posibilidad es que aunque mi solución para norte 2 da valores muy cercanos para T y R , hay valores muy diferentes de norte 2 que dan valores aún más cercanos.

Alguien con quien hablé me ​​dijo que el modelo de onda plana no siempre se aplica en algunas escalas, lo que me dejó alucinado porque siempre lo he visto en uso. Dijo que era la solución de campo lejano para la radiación dipolar, pero que podría no aplicarse a mi escala de longitud. ¿Alguien podría verificar o refutar esto?

¿Qué tan grueso es? ¿Cómo mediste el grosor? ¿Qué longitudes de onda son estas? Tu experimento en realidad estaba midiendo una losa con aire en ambos lados, tal como lo simulaste, ¿verdad?
¿ Cómo normalizó sus mediciones de R y T ? Por curiosidad, ¿qué sucede con el n calculado si agrega un desplazamiento de 0.2 a cualquiera?
@SteveB Esta muestra en particular tiene un grosor de ~ 300 nm, aunque tengo muchas de diferentes grosores. La película se evaporó, por lo que puedo confiar en el monitor de espesor con bastante precisión, pero también la probé con un perfilador y fue similar. Las longitudes de onda están en los gráficos (en micrones). Y sí, el experimento tenía esa película delgada suspendida sobre una abertura.
@ptomato Las medidas de R y T están normalizadas de forma predeterminada, es decir, son con respecto al reflejo de un espejo Al (~ 100%) y el espacio libre, respectivamente. El tamaño de la ventana sigue siendo el mismo entre el fondo y las medidas, por lo que se normalizan.
El modelo de onda plana está bien. Por ejemplo, en elipsometría, se utiliza un modelo de onda plana para caracterizar las capas de óxido que tienen uno o dos átomos de espesor.
@SteveB Gracias, ¿no sabes de qué estaba hablando entonces?
Sospecho que estás tomando tus datos demasiado literalmente. No sería de extrañar que este tipo de datos se desplacen sistemáticamente un poco hacia arriba o hacia abajo en comparación con la realidad. Es posible que los espejos no sean perfectamente reflectantes, las muestras pueden dispersar algo de luz, es posible que la óptica no esté perfectamente alineada, es posible que parte de la luz incida en la parte no suspendida de la muestra, etc. Necesita más restricciones en su ajuste, no solo norte r > 0 pero también asumiendo alguna forma funcional consistente con kramers-kronig.
@YungHummmma -- No, no sé de qué estaba hablando. Esta no es una medida de campo cercano. La fuente de luz y el detector están a muchas longitudes de onda de distancia de la muestra.
Lo que dice @SteveB: No sería nada sorprendente que este tipo de datos se desplacen sistemáticamente un poco hacia arriba o hacia abajo en comparación con la realidad. Esto me ha pasado muchas veces.
@ptomato, Correcto, estoy de acuerdo en que mis datos probablemente no sean perfectos. Pero no creo que eso sea relevante aquí: los índices de refracción negativos (reales) aún son muy raros y solo ocurren en circunstancias muy especiales (permeabilidad negativa, anisotropía, etc.). Así que creo que esto es un problema menor con mis datos que con mi modelo. Como puede ver, aparentemente no hay nada no físico en T y R en λ = 4 tu metro , pero el modelo da el resultado no físico de un negativo norte r allá.
Les estaba dando largas conjeturas en los comentarios y finalmente decidí dejar de conjeturar y hacer una respuesta real ;-)

Respuestas (1)

Se me ocurren tres posibilidades:

  1. Un cambio sistemático en los datos ciertamente puede ser relevante. T y R pueden no ser físicos incluso si ambos son positivos y no parecen no físicos. Por ejemplo, calculé T y R para una losa de oro de 40 nm a 400-800 nm, luego hice datos experimentales falsos donde R mi X pag = R y T mi X pag = T + Δ T y resolvió para n como lo hizo. El solver me empezó a dar negativo norte r para algunas longitudes de onda en Δ T = 0.1 .

  2. Ese modelo asume que la luz incide a cero grados y que el material no es birrefringente, y tal vez eso no sea cierto en su experimento.

  3. Verifiqué el modelo usando el formalismo de matriz de transferencia. Parece que podría estar apagado. La expresión para r es correcta (y esa la sabía de memoria de todos modos) pero obtengo esto para t , usando taquigrafía r 12 por lo que estas llamando r i j [ norte 1 , norte 2 ] :

    t = t 21 t 32 mi i π norte 2 d / λ 1 + r 12 r 23 mi 2 i π norte 2 d / λ
    (sin el norte 3 / norte 1 que prefiero poner como T = ( norte 3 / norte 1 ) | t | 2 .) Es decir, tienes un factor extra de 2 en la exponencial del numerador, y tienes t 12 t 23 en lugar de t 21 t 32 . En realidad, esto último no debería importar si norte 1 = norte 3 , pero el primero sí. Ha pasado demasiado tiempo para recordar si lo hice correctamente, pero puedo mostrar mi trabajo si no estás de acuerdo ;-)

¡Gracias! De hecho, capté el error en t ¡ayer! Y arregla las cosas. Sí, y en retrospectiva, los cambios sistemáticos podrían causar toneladas de cosas extrañas: se supone que deben obedecer las relaciones KK, por lo que si no lo hacen, realmente puede pasar cualquier cosa.