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随机表面及其光散射和散斑场特性的研究

刘德丽  
【摘要】: 本文对随机表面的光学散射与散斑场的一些特性及其用于表面的标 定进行理论、实验和计算模拟的研究。全文共分七章。 第一章对随机表面的性质、光散射的基本原理、非高斯散斑场的理 论和光场位相恢复的基本算法进行了总结和综述。 第二章对粗糙随机表面光散射中心亮点的强度进行了理论分析,提 出了利用Ar~+激光的多波长改变光波矢量的垂直分量k_⊥、利用中心亮点 强度的对数随K_⊥~2的线性变化关系来测量表面粗糙度w的实验方法。 第三章对具有不同粗糙度的随机散射屏用AFM进行了测量分析, 发现它们在短程范围内具有明显的分形特征。对粗糙度较大和较小的散 射屏,分形特征分别以无规则的高度调制和无特征大小的小颗粒形式存 在。用自仿射分形表面对散射屏的统计特性进行了描述。光散射测量发 现,散射光强在近轴区域有散射亮环存在;在远轴区域按负幂函数下降, 理论分析证明这源于表面的分形结构。 第四章提出了模拟产生具有任意表面参量的自仿射分形表面的方 法,模拟了这类表面的光学散射的光强轮廓,及其半高全宽随表面参量 的变化关系,这些关系是用光散射法测量表面参量的基础。 第五章提出了一种模拟产生高斯相关随机表面的方法,并模拟产生 了这类表面在夫琅和费面上的散斑场,以模拟产生的10000个随机表面 作为表面样本系综,对具有不同粗糙度和横向相关长度的表面系综在夫 摘 要 琅和费面上各点产生的光强系综的概率密度分布进行了分析,发现敝斑 场的高斯和非高斯特性在空间上按一定区域分布,且散射表面只包含少 数散射颗粒时也可以形成高斯散斑。 第六章通过实验观察和计算模拟发现了少数散射颗粒所产生的散斑 场中的片状结构,这种结构出现于远轴区域,其大小远大于正常的散斑 颗粒。计算模拟表明,随表面粗糙度的增大或横向相关长度的减小,片 状结构远离光轴,强度和大小增加,其涨落调制减小。提出了等倾基元 这一亚散射顺粒模型并对片状结构成因和性质进行了很好的解释。片状 结构是一种典型的非高斯敝斑现象。 第七章通过山光敝射所产生的散斑光强,再现随机表面的高度数值 分布,提出了光散射显微术的构想。在计算模拟中产生了高斯相关的随 机表而及其散斑光强,用G-S算法和提出的大角度敞射的修正的G-S算 法,再现表面。计算模拟证明了光散射显微术的可行性。


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