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基于椭偏法的典型工程材料高温光学常数实验研究

张文杰  
【摘要】:光学常数是固体材料最基础的热辐射物性。现有文献表明,温度是影响材料光学常数的重要因素之一。获得不同温度下的光学常数,并研究其温度依赖性规律,可以为辐射传热的精确计算,以及介电函数量子模拟方法的实验验证提供准确的数据支撑。然而由于高温条件下存在实验固体材料样片的氧化、自身辐射影响等问题,目前高温光学常数仍极为匮乏,已成为制约热辐射研究的瓶颈问题。近年来,光谱椭偏法已逐渐发展成熟,并成为目前精度最高的一种固体材料光学常数测量方法。但在包括椭偏法在内的各种反射式光学常数测量方法中,均基于理想光滑表面的Fresnel定律。然而实际样片的制备过程中,表面粗糙度无法完全避免,从而将影响光学常数的测量精度。因此,本文首先考察表面粗糙度对反射椭偏测量的影响及其修正方法,然后采用光谱椭偏法结合精确控温和防氧化装置对典型工程材料在不同温度下的光学常数进行了实验测量,并借助介电函数的经典模型研究了光学常数的温度依赖性规律。考虑到椭偏测量中常用的入射角范围,本文采用实验测量和数值模拟的方法研究了粗糙表面大角度入射下的光学反射特性,以及微粗糙表面镜向反射率与理想光滑表面Fresnel定律的偏差。考察了表面粗糙度、入射角度和入射波长对表面反射特性的影响。结果表明,粗糙表面的镜反射特性随入射角度的增大和相对粗糙度的减小而增强,增大入射角、对样片进行高精度抛光可提高基于反射的光学常数测量精度。当采用Fresnel公式近似计算微粗糙表面镜反射率时,TM波近似反射率的相对误差在材料的伪布儒斯特角附近急剧增大,TE波近似反射率的相对误差远小于TM波,并且随入射角的增大而单调减小。对于真实表面与理想光滑表面的差异,目前在椭偏测量中一般采用基于有效介质近似的等效粗糙度层(ERL)模型来描述,并用于光学常数的修正和表面粗糙度的反演。本文采用严格耦合波分析方法研究了椭偏测量中入射角度和表面粗糙度等因素对光学常数测量和粗糙度反演准确度的影响。结果表明,ERL模型用于光学常数修正可有效降低光学常数的测量误差。对于粗糙度小于5nm的微粗糙表面,进行等效粗糙度层修正后,光学常数的测量误差可控制在1%以下。增大入射角可进一步提高等效粗糙度层模型的修正效果。ERL模型应用于微粗糙表面的粗糙度测量时,椭偏法所测ERL厚度与绝对粗糙度之间的关系不能唯一确定。在相对粗糙度小于0.05的范围内,两者间的比值随相对粗糙度的增大而减小。椭偏法测量表面粗糙度时,最佳入射角随相对粗糙度的增大而增大。使用IR-VASE型红外光谱椭偏仪结合高精度控温装置测量了300-773K范围内不同温度下氧化铝、氮化铝、氮化硅陶瓷,以及氟化镁晶体等4种电介质材料分别在8-30μm、0-20μm、5-30μm、15-30μm红外不透明波段的介电函数。通过对介电函数的拟合,得到了不同温度下各吸收峰对应的Lorentz模型参数。结果表明,在所测量的波段内,随着温度的升高,这4种材料的介电函数均表现出吸收峰值减小、位置红移和衰减系数减小等现象。使用椭偏仪结合精确控温和防氧化装置测量了300-773K范围内不同温度下TC4钛合金和镍在1.7-17μm波段内,以及铝和银分别在1.7-9μm、1.7-12μm波段内的光学常数。结果表明,TC4钛合金的折射率和消光系数均随温度的升高而减小,镍、铝、银等三种单质金属材料的折射率随温度的升高而增大,消光系数随温度的升高而减小。在长波下,温度对光学常数的影响更为明显。采用经典介电函数模型对所测介电函数进行拟合,分别得到了TC4钛合金和Ni不同温度下的Lorentz-Drude模型参数,以及Al和Ag不同温度下的Drude模型参数。结果表明,TC4钛合金的等离子频率和衰减系数随温度的升高而减小,Ni和Al的等离子频率和衰减系数随温度的升高而增大,Ag的等离子频率随温度的升高而减小,衰减系数随温度的升高而增大。


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