基于橢偏法的典型工程材料高溫光學(xué)常數(shù)實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光學(xué)常數(shù)是固體材料最基礎(chǔ)的熱輻射物性?，F(xiàn)有文獻(xiàn)表明，溫度是影響材料光學(xué)常數(shù)的重要因素之一。獲得不同溫度下的光學(xué)常數(shù)，并研究其溫度依賴性規(guī)律，可以為輻射傳熱的精確計(jì)算，以及介電函數(shù)量子模擬方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。然而由于高溫條件下存在實(shí)驗(yàn)固體材料樣片的氧化、自身輻射影響等問題，目前高溫光學(xué)常數(shù)仍極為匱乏，已成為制約熱輻射研究的瓶頸問題。近年來，光譜橢偏法已逐漸發(fā)展成熟，并成為目前精度最高的一種固體材料光學(xué)常數(shù)測量方法。但在包括橢

2、偏法在內(nèi)的各種反射式光學(xué)常數(shù)測量方法中，均基于理想光滑表面的Fresnel定律。然而實(shí)際樣片的制備過程中，表面粗糙度無法完全避免，從而將影響光學(xué)常數(shù)的測量精度。因此，本文首先考察表面粗糙度對(duì)反射橢偏測量的影響及其修正方法，然后采用光譜橢偏法結(jié)合精確控溫和防氧化裝置對(duì)典型工程材料在不同溫度下的光學(xué)常數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，并借助介電函數(shù)的經(jīng)典模型研究了光學(xué)常數(shù)的溫度依賴性規(guī)律。
　　考慮到橢偏測量中常用的入射角范圍，本文采用實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值

3、模擬的方法研究了粗糙表面大角度入射下的光學(xué)反射特性，以及微粗糙表面鏡向反射率與理想光滑表面 Fresnel定律的偏差。考察了表面粗糙度、入射角度和入射波長對(duì)表面反射特性的影響。結(jié)果表明，粗糙表面的鏡反射特性隨入射角度的增大和相對(duì)粗糙度的減小而增強(qiáng)，增大入射角、對(duì)樣片進(jìn)行高精度拋光可提高基于反射的光學(xué)常數(shù)測量精度。當(dāng)采用Fresnel公式近似計(jì)算微粗糙表面鏡反射率時(shí)，TM波近似反射率的相對(duì)誤差在材料的偽布儒斯特角附近急劇增大，TE波近似反

4、射率的相對(duì)誤差遠(yuǎn)小于TM波，并且隨入射角的增大而單調(diào)減小。
　　對(duì)于真實(shí)表面與理想光滑表面的差異，目前在橢偏測量中一般采用基于有效介質(zhì)近似的等效粗糙度層(ERL)模型來描述，并用于光學(xué)常數(shù)的修正和表面粗糙度的反演。本文采用嚴(yán)格耦合波分析方法研究了橢偏測量中入射角度和表面粗糙度等因素對(duì)光學(xué)常數(shù)測量和粗糙度反演準(zhǔn)確度的影響。結(jié)果表明，ERL模型用于光學(xué)常數(shù)修正可有效降低光學(xué)常數(shù)的測量誤差。對(duì)于粗糙度小于5nm的微粗糙表面，進(jìn)行等效粗糙

5、度層修正后，光學(xué)常數(shù)的測量誤差可控制在1％以下。增大入射角可進(jìn)一步提高等效粗糙度層模型的修正效果。ERL模型應(yīng)用于微粗糙表面的粗糙度測量時(shí)，橢偏法所測 ERL厚度與絕對(duì)粗糙度之間的關(guān)系不能唯一確定。在相對(duì)粗糙度小于0.05的范圍內(nèi)，兩者間的比值隨相對(duì)粗糙度的增大而減小。橢偏法測量表面粗糙度時(shí)，最佳入射角隨相對(duì)粗糙度的增大而增大。
　　使用IR-VASE型紅外光譜橢偏儀結(jié)合高精度控溫裝置測量了300-773K范圍內(nèi)不同溫度下氧化鋁、

6、氮化鋁、氮化硅陶瓷，以及氟化鎂晶體等4種電介質(zhì)材料分別在8-30μm、10-20μm、5-30μm、15-30μm紅外不透明波段的介電函數(shù)。通過對(duì)介電函數(shù)的擬合，得到了不同溫度下各吸收峰對(duì)應(yīng)的Lorentz模型參數(shù)。結(jié)果表明，在所測量的波段內(nèi)，隨著溫度的升高，這4種材料的介電函數(shù)均表現(xiàn)出吸收峰值減小、位置紅移和衰減系數(shù)減小等現(xiàn)象。
　　使用橢偏儀結(jié)合精確控溫和防氧化裝置測量了300-773K范圍內(nèi)不同溫度下TC4鈦合金和鎳在1.7

7、-17μm波段內(nèi)，以及鋁和銀分別在1.7-9μm、1.7-12μm波段內(nèi)的光學(xué)常數(shù)。結(jié)果表明，TC4鈦合金的折射率和消光系數(shù)均隨溫度的升高而減小，鎳、鋁、銀等三種單質(zhì)金屬材料的折射率隨溫度的升高而增大，消光系數(shù)隨溫度的升高而減小。在長波下，溫度對(duì)光學(xué)常數(shù)的影響更為明顯。采用經(jīng)典介電函數(shù)模型對(duì)所測介電函數(shù)進(jìn)行擬合，分別得到了TC4鈦合金和Ni不同溫度下的Lorentz-Drude模型參數(shù)，以及Al和Ag不同溫度下的Drude模型參數(shù)。結(jié)果