基于橢偏法的典型工程材料高溫光學常數(shù)實驗研究.pdf

1、光學常數(shù)是固體材料最基礎的熱輻射物性?，F(xiàn)有文獻表明，溫度是影響材料光學常數(shù)的重要因素之一。獲得不同溫度下的光學常數(shù)，并研究其溫度依賴性規(guī)律，可以為輻射傳熱的精確計算，以及介電函數(shù)量子模擬方法的實驗驗證提供準確的數(shù)據(jù)支撐。然而由于高溫條件下存在實驗固體材料樣片的氧化、自身輻射影響等問題，目前高溫光學常數(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常數(shù)測量方法。但在包括橢

2、偏法在內的各種反射式光學常數(shù)測量方法中，均基于理想光滑表面的Fresnel定律。然而實際樣片的制備過程中，表面粗糙度無法完全避免，從而將影響光學常數(shù)的測量精度。因此，本文首先考察表面粗糙度對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合精確控溫和防氧化裝置對典型工程材料在不同溫度下的光學常數(shù)進行了實驗測量，并借助介電函數(shù)的經典模型研究了光學常數(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，本文采用實驗測量和數(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?？疾炝吮砻娲植诙取⑷肷浣嵌群腿肷洳ㄩL對表面反射特性的影響。結果表明，粗糙表面的鏡反射特性隨入射角度的增大和相對粗糙度的減小而增強，增大入射角、對樣片進行高精度拋光可提高基于反射的光學常數(shù)測量精度。當采用Fresnel公式近似計算微粗糙表面鏡反射率時，TM波近似反射率的相對誤差在材料的偽布儒斯特角附近急劇增大，TE波近似反

4、射率的相對誤差遠小于TM波，并且隨入射角的增大而單調減小。
　　對于真實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近似的等效粗糙度層(ERL)模型來描述，并用于光學常數(shù)的修正和表面粗糙度的反演。本文采用嚴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光學常數(shù)測量和粗糙度反演準確度的影響。結果表明，ERL模型用于光學常數(shù)修正可有效降低光學常數(shù)的測量誤差。對于粗糙度小于5nm的微粗糙表面，進行等效粗糙

5、度層修正后，光學常數(shù)的測量誤差可控制在1％以下。增大入射角可進一步提高等效粗糙度層模型的修正效果。ERL模型應用于微粗糙表面的粗糙度測量時，橢偏法所測 ERL厚度與絕對粗糙度之間的關系不能唯一確定。在相對粗糙度小于0.05的范圍內，兩者間的比值隨相對粗糙度的增大而減小。橢偏法測量表面粗糙度時，最佳入射角隨相對粗糙度的增大而增大。
　　使用IR-VASE型紅外光譜橢偏儀結合高精度控溫裝置測量了300-773K范圍內不同溫度下氧化鋁、

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)。通過對介電函數(shù)的擬合，得到了不同溫度下各吸收峰對應的Lorentz模型參數(shù)。結果表明，在所測量的波段內，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。
　　使用橢偏儀結合精確控溫和防氧化裝置測量了300-773K范圍內不同溫度下TC4鈦合金和鎳在1.7

7、-17μm波段內，以及鋁和銀分別在1.7-9μm、1.7-12μm波段內的光學常數(shù)。結果表明，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，溫度對光學常數(shù)的影響更為明顯。采用經典介電函數(shù)模型對所測介電函數(shù)進行擬合，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)。結果