【摘要】：隨機粗糙表面輻射及偏振特性研究在空間遙感、紅外隱身、目標追蹤等軍民事領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。對隨機粗糙表面光學常數(shù)和形貌參數(shù)的準確獲取在微尺度熱輻射和光學等領(lǐng)域具有十分重要的意義。光譜橢偏法是目前用來測量反演材料光學常數(shù)最普遍的方法,其需借助光滑表面的菲涅爾公式,而實際中的樣品無論打磨得如何光滑,都不可避免的存在粗糙度,導致測量誤差。為了減小測量誤差,通常利用等效介質(zhì)理論(EMA)模型對粗糙層進行修正,但粗糙表面并不是均勻分布的,EMA模型的精度與粗糙表面形貌及材料本身的光學常數(shù)有關(guān)。為了探索EMA模型的精度和適用范圍,本文研究了其在隨機微粗糙表面橢偏測量中的Regime Map。目前通常利用原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡獲取粗糙表面形貌,但其具有破壞性、測量速度慢等缺點。含有4×4個元素的穆勒矩陣能夠?qū)Ω飨虍愋缘拇植诒砻娴墓鈱W信息進行充分描述,本文通過研究粗糙表面的形貌參數(shù)及光學常數(shù)對穆勒矩陣元素的影響,試圖尋找直接反演粗糙表面光學常數(shù)和預測表面形貌的方法。本文用EMA對高斯隨機粗糙表面進行建模,通過嚴格耦合波分析(RCWA)求解EMA模型的橢偏參數(shù),利用時域有限差分法(FDTD)計算粗糙表面的電磁響應進而獲得橢偏參數(shù),最終繪出EMA模型的Regime Map。研究發(fā)現(xiàn)EMA模型的精度不但受粗糙表面形貌的影響,還與材料種類有關(guān),對于吸收性較強的粗糙表面,用EMA建模所得振幅比率ψ和消光系數(shù)k的精度較高,而相位差Δ和負折射率n的精度受表面形貌影響較大,吸收性較弱的粗糙表面與之相反。通過比較發(fā)現(xiàn),反演所得的負折射率n的精度主要受偏振光的相位差Δ影響,消光系數(shù)k的精度主要受偏振光的振幅比率ψ影響。本文研究了入射角、光學常數(shù)、相對粗糙度和自相關(guān)長度對隨機粗糙表面穆勒矩陣的影響。研究發(fā)現(xiàn),雖然主對角元素在數(shù)值上要遠大于副對角元素,但副對角元素對粗糙表面形貌更為敏感。當入射角不大于65°時,主對角元素m12隨粗糙表面形貌的改變而不發(fā)生變化。m33和m34與形貌參數(shù)呈正比,前者的斜率受消光系數(shù)k影響,后者的斜率與k無關(guān)。副對角元素m24與相對粗糙度(σ/λ)呈線性關(guān)系,且受k的影響較小。該部分內(nèi)容是利用各向異性材料的穆勒矩陣直接反演其光學常數(shù)和形貌參數(shù)的關(guān)鍵一步。
【圖文】：

值計算橢偏參數(shù)的實驗驗證先利用 IR-VASE 光譜橢偏儀測量獲取了樣片的橢偏參數(shù)，入射波長取 1000-2000nm，入射角為 60°；然后將 AFM 掃D 中模擬得到其電磁響應，并通過程序計算出樣片的橢偏 2-9 所示的數(shù)值計算與實驗測量的結(jié)果對比圖。圖中藍色實表示實驗測量和數(shù)值計算的橢偏參數(shù)，觀察發(fā)現(xiàn)，當波長計算得到的橢偏參數(shù)與實驗測量值相差最多，其中振幅比算誤差為 1.47%，相位差 Δ 相差 2°，計算誤差為 1.37%。34363840 d(g)eExperimentSimulation圖 2-8 樣片 AFM 掃描圖

本文通過研究 EMA 模型在隨機粗糙表面橢偏測e Map，不但可以找出 EMA 模型精確的適用范圍，還可以找出其況。斯隨機粗糙表面等效介質(zhì)模型的建立際中粗糙表面的輪廓隨空間和時間均發(fā)生變化，屬于隨機粗糙表機粗糙表面由均方根粗糙度 （Root Mean Square, RMS）和自相。均方根粗糙度描述隨機粗糙表面的縱向尺度，而自相關(guān)長度描面的橫向尺度。本文中研究的粗糙表面類型為高斯粗糙表面，，這見的粗糙表面形式，其自相關(guān)函數(shù)如下[81]： 2 2 2H p H p q exp q H ( p )、 H ( q )分別表示 p 和 q 位置處的起伏高度。維隨機粗糙表面形貌的示意圖如圖 3-1 所示[78]，其均方根μm，自相關(guān)長度 τ=0.6μm。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB302.1

【參考文獻】

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本文編號：2624409