基于表面生成法的粗糙基底上半透明涂层的光散射特性

针对光在半透明涂层和粗糙基底构成的两层粗糙面的散射过程,采用表面生成法,考虑入射遮蔽以及多次散射效应,构建表面散射的蒙特卡罗模型,得到粗糙基底上半透明涂层的反射光的能量分布,研究涂层厚度、表面粗糙度、入射光波长等对双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF)的影响.结果表明,BRDF受表面的粗糙程度影响较大,其峰值随表面均方根斜率的增加线性递减;半透明涂层厚度影响BRDF峰值的大小,厚度为十分之一波长时,BRDF达最小值;近红外光入射时镜反射方向附近BRDF的局部分布曲线相对于可见光入射时有展宽趋势,且方向半球反射率相对于可见光入射时更大.     

吸收-透射界面下正弦折射率介质内辐射换热

对具有吸收-透射性边界面的梯度折射率半透明介质层,建立了介质内热辐射传递与边界面辐射换热的数理模型,并采用数值弯曲光线跟踪法求解介质内的热辐射传递。通过数值模拟,分析了正弦折射率下,边界面的反射特性、吸收率以及介质层光学厚度对介质内热辐射平衡温度场及热流分布的影响。结果表明,边界面的反射特性与吸收率对介质内辐射换热均有重要影响,吸收率的影响与边界面反射特性、介质层光学厚度及环境条件相关,呈现特征不同的作用。     

半透明介质表面红外测温的辐射传输模拟

考虑不透明漫射基底的反射/发射和半透明介质层的吸收/发射,建立半透明介质层表面红外测温过程的辐射传输模型,采用反向蒙特卡罗法进行模拟,获得探测表面在热像仪的指示辐射温度。与不透明表面红外测温进行比较,分析表面形状、基底发射率ε_s及介质层光学厚度τ的影响。结果表明,半透明介质层表面的指示辐射温度在ε_s1.0时,随τ的增大而增大,τ≥2时数值趋于ε_s=1.0时的结果,与不透明表面存在较大差异;针对复杂形状或内凹曲面红外测温,不透明表面和半透明介质层表面均受到反射其他部位辐射现象的影响。     

空间相机常用金属材料表面的BRDF特性

为保证空间相机热设计中表面辐射换热计算准确可靠,基于两种金属材料的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法应用几何光学近似对其粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究。分析了不同入射光波长、不同入射角度及不同表面粗糙度对金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF的影响。结果表明,金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF分布具有明显的镜反射特征,入射平面内的BRDF峰值随入射光波长增加而增大,在本文研究的波长范围内,钛表面的BRDF随入射光波长增大的增幅最高达到41.0%,远高于铝表面的8.7%。当表面粗糙度较大时,光子在粗糙表面内会经历多次散射,粗糙表面内多次散射光子数比例随着表面粗糙度的增大而增加,并且随着入射角度的增大具有增加的趋势。     

偏振光谱BRDF建模与仿真

在偏振光条件下,物体的表面反射受到折射率、表面粗糙度、入射角等多种因素的影响。针对粗糙物体表面在不同波段光照下表现出不同的偏振反射特性,提出一种基于Kirchhof理论的偏振光谱BRDF模型。利用已知材质在不同波长下的复折射率,对其折射率和消光系数部分分别反演出的对应光谱模型,进而得到复折射率的光谱模型;同借鉴经典的表面粗糙度测量方法,结合菲涅耳反射公式,推导出表面粗糙度的光谱模型,将得到的复折射率和粗糙度光谱模型与BRDF模型相结合,推导出偏振光谱BRDF建模。模型分别在折射率随波长变化、粗糙度为常量,折射率、粗糙度均随波长变化以及原模型三种情况下进行仿真对比实验,并将所得到的数据与其他资料进行对比。其结果表明,该模型能够较为准确的反映物体表面的偏振反射特性,并且能够描述偏振度随波长变化趋势的光谱特征,能够为偏振遥感、物质分类等方面的应用提供可靠依据。     

利用透射光谱与X射线反射谱精确测量溶胶-凝胶TiO2薄膜厚度和光学常数

在洁净K9玻璃基底上沉积TiO2薄膜,将透射光谱和X射线反射光谱相结合分析获得膜层的厚度和光学常数。X射线反射谱拟合能精确得到膜层的厚度、电子密度及表面和界面粗糙度,其中膜层厚度的数值为透射光谱的分析提供了重要参考。基于Forouhi-Bloomer色散模型拟合膜层透射光谱,得到薄膜折射率和消光系数,理论曲线和实验曲线吻合良好。对于同一样品,两种光谱拟合分析得到的厚度数值非常接近,差值最大为4.9nm,说明两种方法的结合能够提高光学分析结果的可靠性。     

变温下材料表面近红外双向反射分布函数的测量研究

基于自行研制的双向反射分布函数(BRDF)测量装置,采用绝对测量方法在20～800℃的温度范围内测量了粗糙黄铜表面在近红外波段下的光谱偏振双向反射分布函数,分析了温度对BRDF的影响。结果表明,温度对黄铜表面的BRDF有明显的影响,随着温度的升高,BRDF整体呈现出稳定-增大-减小的变化趋势。对不同温度下材料表面的场扫描电镜、粗糙度和X射线衍射测试表明,温度对样品表面BRDF产生影响的主要原因是表面形貌和化学成分的改变。     

基底微缺陷对介质薄膜光学性能影响的理论研究

基于非均匀膜理论提出一种存在微缺陷的介质基底的折射率分层模型，将基底依次分为表面层、亚表面层和体材料层，其中表面层和亚面层分别等效为折射率服从统计分布的非均匀膜，将它们分别再次细分为N₁和N₂个子层，每一子层均视为均匀介质 膜.应用光学薄膜特征矩阵法对其进行理论分析，并对单层介质膜的光学性能进行数值计算. 研究结果表明：基底的表面和亚表面微缺陷改变了薄膜和基底的等效折射率，导致了准Brew ster角和组合反射率与理想情形的偏离.同时这些微缺陷也改变了光在薄膜和基底中的传播 特性，因此反射相移和相位差均偏离理想情形.在研究基底的微缺陷对多层介质膜光学性能 影响的分析和计算时，该模型同样适用. 关键词： 微缺陷 介质薄膜 非均匀膜 光学性能     

小斜率近似在粗糙面激光散射BRDF计算中的应用

基于小斜率近似法建立了粗糙面激光散射双向反射分布函数的数学模型,采用该模型计算了粗糙度参量已知的合金铝样片的双向反射分布函数值,计算结果与实测结果吻合良好,验证了模型的正确性.研究了粗糙度参量和样片光学常量对双向反射分布函数的影响,结果表明,粗糙面激光散射的双向反射分布函数与表面高度起伏均方根、自相关长度及样片光学常量相关.当入射波长一定时,高度起伏均方根越大,或者自相关长度越小,粗糙面粗糙度越大,入射激光的漫反射特性越强,双向反射分布函数峰值越小且分布越分散;当粗糙度一定时,样片光学常量对双向反射分布函数影响较大,粗糙面对入射激光复折射率的虚部越大,样片双向反射分布函数的峰值越小,当粗糙度参量增大时,样片光学参量对双向反射分布函数的影响逐步减弱.     

氧化膜对一维随机粗糙铝表面双向反射特性影响

本文采用时域有限差分方法模拟了一维随机粗糙铝表面双向反射分布函数,分析了表面氧化膜厚度对双向反射分布函数的影响.研究结果表明,氧化膜对一维随机粗糙铝表面的双向反射分布特性有很大的影响。双向反射分布函数受入射波的偏振态影响,横电(TE)波产生的影响比横磁(TM)波更大。在TE波入射时会产生镜反射高峰值现象,但在TM波斜入射时会产生较强的倒反射现象.随机粗糙铝表面在不同的自相关长度(T)条件下的BRDF的峰值均随着T的增大而略微有所增大.     

Thermal emission and volumetric absorption of a graded index semitransparent medium layer

Both thermal emission and volumetric absorption characteristics of a graded index semitransparent medium layer are investigated numerically. The semitransparent and specular emerging surface of the medium layer is parallel to an opaque and diffuse substrate wall. Monochromatic spectrum or gray medium is considered in the analysis. A pseudo-source adding method is combined with a ray-splitting and -tracing technique to solve the radiative transfer in the medium. As examples, constant and linear refractive index distributions are examined for an isothermal layer and the medium layer with a linear temperature distribution. Directional and hemispherical thermal emissions from the emerging surface as well as the volumetric absorption to the diffuse and parallel incidence of radiation are investigated, respectively. The results show that the refractive index distribution has significant influences on thermal emission and volumetric absorption of a semitransparent medium layer. The optical thickness, temperature distribution and the reflectivity of substrate wall react in combination with the refractive index distribution.     

微粗糙硬铝表面双向反射特性实验研究

本文基于四波段双向反射分布函数测试平台,对微粗糙硬铝表面的光谱双向反射分布函数进行了实验测量,考察了微粗糙尺寸参数、入射角度和入射辐射波长对表面辐射特性的影响。测量结果显示了明显的镜反射特征,粗糙的表面结构还引起了后向反射增强现象,长波入射和大角度入射增强后向反射效应。     

小尺度表面粗糙度与介质吸收对介质折射率测量的影响

将介质表面的小尺度粗糙度等效为覆盖在理想光滑表面上的多层等厚折射率渐变的薄膜,并通过特征矩阵计算多层等效膜模型的P光反射率与入射角的关系.将吸收介质的折射率虚部带入菲涅尔公式进行计算.运用COMSOL Mutiphysics软件对表面粗糙度和介质吸收进行建模和仿真计算.计算结果表明,小尺度表面粗糙度与介质吸收都会导致折射率测量产生误差.分别考虑以布儒斯特角和全反角作为折射率测量的手段,为了得到优于10-5的测量准确度,测量表面粗糙介质的折射率时,采用全反角进行判定;测量具有吸收效应的介质折射率时,采用布儒斯特角进行判定.     

Influence of the sign of the refractive index in the reflectivity of a metamaterial surface with localized roughness

To study the scattering properties of metamaterials, we generalize two scattering methods developed for conventional (non-magnetic) isotropic materials to the case of materials with arbitrary values (positive or negative) of magnetic permeability and electric permittivity. The generalized methods are used to study the changes produced in the reflectivity of a metamaterial surface with localized roughness when the relative refractive index changes sign. Our results show that, unlike the case of a plane surface whose reflectivity is unaffected by the change of sign of the relative refractive index, in rough surfaces the change of sign is manifested in the reflectivity, even for very low roughness, particularly in observation directions away from the specular direction.     

银薄膜对光学基底表面粗糙度及光散射的影响

为了研究金属银薄膜与光学基底表面粗糙度和光散射的关系,提出了通过对光学薄膜矢量散射公式积分来获得界面粗糙度完全相关模型和完全非相关模型下其表面的总反射散射的方法.理论计算了光学基底上两种模型在不同厚度银膜下的总反射散射和双向反射分布函数.结果表明,当沉积在光学基底上的银薄膜的厚度大于80 nm后,两种模型下计算的银薄膜的表面总反射散射都等于基底的总积分散射,银薄膜能较好地复现出基底的粗糙度轮廓.实验研究表明为了复现基底的粗糙度,银薄膜的最佳厚度应在80~160 nm之间.     

Modeling the infrared radiance of rough sea surface in the infrared windows: 3-5 μm and 8-12 μm

The general formulations for spectral directional emissivity and spectral bi-directional reflectivity are analyzed by using Fresnel's formula and Snell's law in rough sea surface which is simulated by wave facets, whose slopes are changing according to the isotropic Gaussian distribution with respect to surface wind. Then, shadowing effect is taken into account in both emission and reflection of sea surface. On this basis, the mathematic expression is obtained for spectral radiance of rough sea surface, in which the radiance of rough sea surface is considered as a composition of self-emission, reflection of sky and reflection of sun. Finally, calculations for infrared radiance of rough sea surface in bands of 3-5 μm and 8-12 μm are given to illustrate their significant different, which are caused mostly by the dispersion of sun radiation.     

Ge薄层异质结构的同步辐射X射线反射法研究

用X射线反射方法研究了分子束外延技术生长的Si中Ge薄层异质结构的Ge原子分布特性.根据X射线反射理论及Parratt数值计算方法对实验反射曲线的模拟,得到不同厚度的Ge薄层异质结构样品中Ge原子的深度分布为非对称指数形式:在靠近样品表面一侧的衰减长度为8埃,而在靠近样品衬底一侧的衰减长度为3埃,且分布形式与Ge原子层的厚度无关.讨论了不同结构参数(Ge原子薄层的深度、Ge原子分布范围、样品表面粗糙度、样品表面氧化层厚度等)对样品低角反射曲线的影响.     

Optical properties change of oxide film — metal system during the film growth: computer simulation

Results of computer simulation of reflective properties of the oxide film-metal system in the process of oxidation in the air environment are presented. The complex refractive indices for oxide film and metal were used as the initial data. Thin films (the thickness is comparable with the wavelength of incident radiation) and thick films (thickness is much larger than the wavelength of incident radiation) are considered. The parameter characterizing the cyclic character of system reflectivity during the growth of film thickness was derived for the thin film. It is shown that the cyclic parameter does not depend on optical properties of a metal substrate. In the air environment, this parameter is determined by a complex refractive index of the film, its thickness, and direction of incident radiation. Relationships for the estimate of system reflectivity in the process of oxide film growth are presented for the thick film.