基于波矢量變化的隨機(jī)表面光散射理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、長(zhǎng)期以來(lái)隨機(jī)表面的光學(xué)散射一直受到人們的關(guān)注.它被廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域,例如遙感、雷達(dá)成像、聲納探測(cè)、工業(yè)非接觸檢測(cè)和生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域.對(duì)隨機(jī)表面光散射的研究,主要是隨機(jī)表面的形貌特征和光散射強(qiáng)度分布之間的關(guān)系.目前的理論和模型已經(jīng)可以解釋絕大多數(shù)自然和人工表面的散射強(qiáng)度特征.在已知表面形貌特征的情況下,可以預(yù)測(cè)出散射強(qiáng)度分布;在已知散射強(qiáng)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(guān)系的時(shí)候,無(wú)論是理論上還是

2、實(shí)驗(yàn)中,大多數(shù)研究者都是從實(shí)空間的散射角和光強(qiáng)空間分布的關(guān)系來(lái)計(jì)算的.這種方法在表現(xiàn)形式上看起來(lái)很復(fù)雜,也不能建立表面和強(qiáng)度分布的確定關(guān)系.如果光波用波矢量來(lái)表示,在波矢空間研究隨機(jī)表面的光散射特性,二者的關(guān)系式就變得相對(duì)簡(jiǎn)單了.
　　本論文正是基于波矢空間的隨機(jī)表面和散射強(qiáng)度的空間分布之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,研究波矢空間的各向同性和各向異性表面的光散射現(xiàn)象.根據(jù)實(shí)空間的散射光強(qiáng)空間分布,提取波矢空間的散射強(qiáng)度輪廓,然后根據(jù)基爾霍夫近似理

3、論和自仿射分形隨機(jī)表面模型,得到波矢量規(guī)律變化的散射強(qiáng)度的輪廓,研究根據(jù)散射強(qiáng)度隨波矢量變化的規(guī)律,提取表征表面形貌的統(tǒng)計(jì)參量的理論和實(shí)驗(yàn).本文的主要研究工作如下:
　　1.用原子力顯微鏡對(duì)各向異性粗糙樣品進(jìn)行了表面形貌的測(cè)量,根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析了各向異性隨機(jī)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(duì)每一類型對(duì)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(duì)散射輪廓的影響.
　　2.討

4、論一種典型的各向異性微結(jié)構(gòu)——棱臺(tái)型結(jié)構(gòu)表面的光散射現(xiàn)象和光的遮擋效應(yīng).根據(jù)反射光波的角度關(guān)系,利用空間向量的運(yùn)算公式推導(dǎo)出了光的反射分量在測(cè)量平面內(nèi)應(yīng)該滿足的曲線方程,并用反射鏡和圓柱形光纖的光散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一曲線方程.
　　3.根據(jù)波矢空間的隨機(jī)表面的光散射理論,設(shè)計(jì)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(nèi)光散射測(cè)量方法,可以更好地測(cè)量各向同性隨機(jī)表面的統(tǒng)計(jì)參量.我們利用計(jì)算機(jī)控制的二維移動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)探測(cè)器沿

5、平行于樣品平面的一條圓弧的移動(dòng),這條圓弧以樣品表面的法線和觀察面的交點(diǎn)為圓心,以反射光線和觀察面的交點(diǎn)為起點(diǎn).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(shí)驗(yàn)方法消除了以往光散射測(cè)量方法中垂直波矢量近似不變的誤差,并將其應(yīng)用于各向同性隨機(jī)表面的光散射測(cè)量,提高了測(cè)量的精度.
　　4.設(shè)計(jì)了一種方便可行的粗糙表面光散測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法.該方法采用接收屏接收散射圖樣,用透鏡對(duì)呈現(xiàn)在接收屏上的散射圖樣進(jìn)行成像,并用CC

6、D采集該散射圖樣.把得到的散射圖樣轉(zhuǎn)化為波矢空間的光強(qiáng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)獲得了它們的散射輪廓.對(duì)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(jìn)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(duì)樣品的表面參量進(jìn)行了提取,并與 AFM測(cè)量得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.
　　總之,本文系統(tǒng)地研究了基于波矢空間的波矢量變化的隨機(jī)表面的光散射的理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)