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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

黄美娇  
【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。


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