粗糙面椭偏测量中等效介质理论及各向异性穆勒矩阵分析

发布时间：2020-04-12 06:47

【摘要】：随机粗糙表面辐射及偏振特性研究在空间遥感、红外隐身、目标追踪等军民事领域具有广泛的应用前景。对随机粗糙表面光学常数和形貌参数的准确获取在微尺度热辐射和光学等领域具有十分重要的意义。光谱椭偏法是目前用来测量反演材料光学常数最普遍的方法,其需借助光滑表面的菲涅尔公式,而实际中的样品无论打磨得如何光滑,都不可避免的存在粗糙度,导致测量误差。为了减小测量误差,通常利用等效介质理论(EMA)模型对粗糙层进行修正,但粗糙表面并不是均匀分布的,EMA模型的精度与粗糙表面形貌及材料本身的光学常数有关。为了探索EMA模型的精度和适用范围,本文研究了其在随机微粗糙表面椭偏测量中的Regime Map。目前通常利用原子力显微镜和扫描电子显微镜获取粗糙表面形貌,但其具有破坏性、测量速度慢等缺点。含有4×4个元素的穆勒矩阵能够对各向异性的粗糙表面的光学信息进行充分描述,本文通过研究粗糙表面的形貌参数及光学常数对穆勒矩阵元素的影响,试图寻找直接反演粗糙表面光学常数和预测表面形貌的方法。本文用EMA对高斯随机粗糙表面进行建模,通过严格耦合波分析(RCWA)求解EMA模型的椭偏参数,利用时域有限差分法(FDTD)计算粗糙表面的电磁响应进而获得椭偏参数,最终绘出EMA模型的Regime Map。研究发现EMA模型的精度不但受粗糙表面形貌的影响,还与材料种类有关,对于吸收性较强的粗糙表面,用EMA建模所得振幅比率ψ和消光系数k的精度较高,而相位差Δ和负折射率n的精度受表面形貌影响较大,吸收性较弱的粗糙表面与之相反。通过比较发现,反演所得的负折射率n的精度主要受偏振光的相位差Δ影响,消光系数k的精度主要受偏振光的振幅比率ψ影响。本文研究了入射角、光学常数、相对粗糙度和自相关长度对随机粗糙表面穆勒矩阵的影响。研究发现,虽然主对角元素在数值上要远大于副对角元素,但副对角元素对粗糙表面形貌更为敏感。当入射角不大于65°时,主对角元素m12随粗糙表面形貌的改变而不发生变化。m33和m34与形貌参数呈正比,前者的斜率受消光系数k影响,后者的斜率与k无关。副对角元素m24与相对粗糙度(σ/λ)呈线性关系,且受k的影响较小。该部分内容是利用各向异性材料的穆勒矩阵直接反演其光学常数和形貌参数的关键一步。
【图文】：

扫描图,样片,扫描图,椭偏参数

值计算椭偏参数的实验验证先利用 IR-VASE 光谱椭偏仪测量获取了样片的椭偏参数，入射波长取 1000-2000nm，入射角为 60°；然后将 AFM 扫D 中模拟得到其电磁响应，并通过程序计算出样片的椭偏 2-9 所示的数值计算与实验测量的结果对比图。图中蓝色实表示实验测量和数值计算的椭偏参数，观察发现，当波长计算得到的椭偏参数与实验测量值相差最多，其中振幅比算误差为 1.47%，相位差 Δ 相差 2°，计算误差为 1.37%。34363840 d(g)eExperimentSimulation图 2-8 样片 AFM 扫描图

示意图,形貌,随机粗糙表面,粗糙表面

本文通过研究 EMA 模型在随机粗糙表面椭偏测e Map，不但可以找出 EMA 模型精确的适用范围，还可以找出其况。斯随机粗糙表面等效介质模型的建立际中粗糙表面的轮廓随空间和时间均发生变化，属于随机粗糙表机粗糙表面由均方根粗糙度（Root Mean Square, RMS）和自相。均方根粗糙度描述随机粗糙表面的纵向尺度，而自相关长度描面的横向尺度。本文中研究的粗糙表面类型为高斯粗糙表面，，这见的粗糙表面形式，其自相关函数如下[81]： 2 2 2H p H p q exp q H ( p )、 H ( q )分别表示 p 和 q 位置处的起伏高度。维随机粗糙表面形貌的示意图如图 3-1 所示[78]，其均方根μm，自相关长度 τ=0.6μm。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB302.1

【参考文献】