基于波矢量變化的隨機表面光散射理論和實驗研究.pdf

1、長期以來隨機表面的光學散射一直受到人們的關注.它被廣泛應用在很多領域,例如遙感、雷達成像、聲納探測、工業(yè)非接觸檢測和生物醫(yī)學診斷等領域.對隨機表面光散射的研究,主要是隨機表面的形貌特征和光散射強度分布之間的關系.目前的理論和模型已經可以解釋絕大多數自然和人工表面的散射強度特征.在已知表面形貌特征的情況下,可以預測出散射強度分布;在已知散射強度的空間分布的情況下,可以比較表面的特征參量的大小.但是,在表述這兩者關系的時候,無論是理論上還是

2、實驗中,大多數研究者都是從實空間的散射角和光強空間分布的關系來計算的.這種方法在表現形式上看起來很復雜,也不能建立表面和強度分布的確定關系.如果光波用波矢量來表示,在波矢空間研究隨機表面的光散射特性,二者的關系式就變得相對簡單了.
　　本論文正是基于波矢空間的隨機表面和散射強度的空間分布之間的對應關系,研究波矢空間的各向同性和各向異性表面的光散射現象.根據實空間的散射光強空間分布,提取波矢空間的散射強度輪廓,然后根據基爾霍夫近似理

3、論和自仿射分形隨機表面模型,得到波矢量規(guī)律變化的散射強度的輪廓,研究根據散射強度隨波矢量變化的規(guī)律,提取表征表面形貌的統計參量的理論和實驗.本文的主要研究工作如下:
　　1.用原子力顯微鏡對各向異性粗糙樣品進行了表面形貌的測量,根據測量數據分析了各向異性隨機表面樣品具體的形貌特征,并把這種樣品表面按其特征分為幾種典型的類型,對每一類型對光散射圖樣的影響做了分析并編程模擬了不同類型的表面的不同參量對散射輪廓的影響.
　　2.討

4、論一種典型的各向異性微結構——棱臺型結構表面的光散射現象和光的遮擋效應.根據反射光波的角度關系,利用空間向量的運算公式推導出了光的反射分量在測量平面內應該滿足的曲線方程,并用反射鏡和圓柱形光纖的光散射實驗證實了這一曲線方程.
　　3.根據波矢空間的隨機表面的光散射理論,設計了一種垂直波矢量保持不變、平行波矢量逐漸變大的角分辨的面內光散射測量方法,可以更好地測量各向同性隨機表面的統計參量.我們利用計算機控制的二維移動平臺帶動探測器沿

5、平行于樣品平面的一條圓弧的移動,這條圓弧以樣品表面的法線和觀察面的交點為圓心,以反射光線和觀察面的交點為起點.在這條圓弧上,散射光的垂直波矢量保持不變,平行波矢量逐漸變大,這種實驗方法消除了以往光散射測量方法中垂直波矢量近似不變的誤差,并將其應用于各向同性隨機表面的光散射測量,提高了測量的精度.
　　4.設計了一種方便可行的粗糙表面光散測量的實驗方法.該方法采用接收屏接收散射圖樣,用透鏡對呈現在接收屏上的散射圖樣進行成像,并用CC

6、D采集該散射圖樣.把得到的散射圖樣轉化為波矢空間的光強度,提取出光散射輪廓.分別以各向同性和各向異性的粗糙硅片背面作為樣品,用此實驗系統獲得了它們的散射輪廓.對于各向異性的表面樣品,散射輪廓的提取沿著接收屏上的方位曲線進行.沿此條方位曲線,波矢量規(guī)律變化.利用角分辨散射的理論和方法,對樣品的表面參量進行了提取,并與 AFM測量得到的結果進行了對比.
　　總之,本文系統地研究了基于波矢空間的波矢量變化的隨機表面的光散射的理論和實驗測