透明基片表面散射与体散射的研究

论文摘要

光学薄膜在现代光学领域有着举足轻重的作用,几乎所有的光学系统都需要用到镀膜技术。对于高精度的镀膜技术来说,镀膜仅仅是对基片表面形态的一个复制过程,也就是说,基片表面的质量会直接影响薄膜的散射特性。因此,镀膜前对基片表面进行准确地检测和严格地挑选是十分必要的。一般来说,光散射法由于自身的优点,是使用非常广泛的一种无损检测技术。研究表明,透明基片的表面粗糙度和折射率不均匀性是导致基片表面散射和体散射的根本原因。当光入射到透明基片上时,其表面散射和体散射会相互耦合在一起,导致无法对表面散射进行独立有效的测量。所以,在透明基片的表面散射测试中,急需找到消除体散射对表面散射影响的行之有效的方法。本论文的内容主要包括以下几个方面:首先,从电偶极子的远场散射出发,基于一阶微扰理论,建立了透明基片表面散射和体散射的物理模型。从Maxwell方程出发推导了透明基片表面散射和体散射的微分散射功率分布规律,为进一步的研究奠定了理论基础。第二,分析了表面散射和体散射电场偏振方向的差异,即在入射角和散射角确定的情况下,表面散射和体散射电场的振动方向存在固定的夹角,控制起偏器和检偏器的偏振方向就可以消除透明基片的表面散射或体散射,独立有效测量体散射或表面散射。第三,从理论上给出了一种消除透明基片体散射的有效方法,当散射平面位于入射面内时,控制起偏器的偏振方向为45°,通过理论分析和数值模拟,得到了不同入射角和散射角条件下检偏器的检偏角度,从而达到了消除透明基片的体散射,独立有效测量表面散射的目的。最后,通过测量石英基片表面散射和体散射的相对大小,分析比较了散射光的微分散射特性,从实验上验证了本文提出的消除透明基片体散射的方法的正确性与可行性,为准确测量透明基片的表面散射奠定了坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 课题的研究现状
• 1.3 研究的主要工作
• 第二章 表面的描述与检测
• 2.1 表面的统计特征参数
• 2.1.1 高度函数（Height Function）和平均表面（Mean Surface Level）
• 2.1.2 表面均方根粗糙度（Root-Mean-Square Roughness）
• 2.1.3 高度分布的概率函数（Height Distribution Funtion）
• 2.1.4 自协方差函数（Autocovariance Function,ACF）
• 2.1.5 功率谱密度函数（Power-Spectral-Density Function,PSD）
• 2.2 表面质量的检测
• 2.2.1 光学显微镜
• 2.2.2 电子显微镜
• 2.2.3 扫描探针显微镜
• 2.2.4 光散射法
• 2.3 本章小结
• 第三章 透明基片的散射理论
• 3.1 一阶微扰理论
• 3.1.1 狄拉克边界条件
• 3.1.2 纽曼边界条件
• 3.1.3 理想导体边界条件
• 3.2 J.M.Elson 的散射理论
• 3.2.1 表面粗糙度引起的散射
• 3.2.2 折射率起伏引起的散射
• 3.3 电偶极子散射理论
• 3.3.1 电偶极子在远场的散射电磁场
• 3.3.2 基片表面上方粒子散射模型
• 3.3.3 基片表面下方粒子散射模型
• 3.3.4 基片的表面散射
• 3.3.5 基片的体散射
• 3.4 本章小结
• 第四章 透明基片体散射的消除
• 4.1 消除体散射的理论方法
• 4.2 数值模拟
• 4.2.1 透明基片表面散射和体散射电场矢量的偏振角α和β
• 4.2.2 透明基片表面散射和体散射电场的振动方向间夹角φ
• 4.2.3 消除表面散射或体散射时检偏器的选偏角度ψ
• 4.3 本章小结
• 第五章 实验与结果分析
• 5.1 实验原理
• 5.2 实验系统介绍
• 5.3 实验数据处理
• 5.4 实验结果
• 5.4.1 相同基片的同一位置在不同入射角和散射角条件下的ARS
• 5.4.2 相同基片的不同位置在相同入射角和散射角条件下的ARS
• 5.4.3 不同基片在相同入射角和散射角条件下的ARS
• 5.5 实验误差分析
• 5.5.1 系统的安装误差
• 5.5.2 零均值噪声
• 5.5.3 外部可控噪声
• 5.5.4 偏振片的透光率对实验的影响
• 5.5.5 激光器对实验系统的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 主要工作总结
• 6.2 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 菲涅耳系数