[发明专利]一种基于粗糙面反射率谱反演材料复折射率的方法

说明书

一种基于反射率谱反演粗糙面复折射率的方法，利用傅里叶光谱仪，测量三种以上不同粗糙表面的样片反射率谱；利用远红外椭偏仪，测量抛光定标板的复折射率精确解；利用遗传算法计算粗糙样片的表面均方根高度；结合菲涅尔反射系数的基尔霍夫近似，获得均方根高度的平方与反射率自然对数的线性关系；使用最小二乘法，数值计算光滑表面的反射率谱，与抛光定标板的反射率谱相吻合。以椭偏仪测量的复折射率作为实验初值，采用KK理论，根据光滑表面的反射率谱反演材料的复折射率，反演结果与椭偏仪测量结果吻合。该方法适用于表面粗糙样片的复折射率提取，测量范围宽，克服了实验系统操作复杂，测量频点有限以及样片工艺严格等缺点。

技术领域

发明属于粗糙表面介质材料色散分析与复折射率测量领域，涉及利用粗糙面反射率谱数值计算光滑表面反射率谱，以及结合远红外光谱椭偏仪和傅里叶反射光谱仪联合反演材料复折射率的方法，可应用于粗糙表面材料的色散分析，以及目标散射特性建模等。

背景技术

材料的光学特性，如复折射率、磁导率、表面阻抗等是用来表征材料色散特性的物理量，间接地反映了材料内部的微观机理，也是目标散射特性建模和雷达探测技术的重要基础。然而在实验中，光学常数的准确测量依赖于样片材料表面的粗糙度、表面氧化度和掺杂度等因素的影响，因而在实际实验中需要通过提高材料清洁蚀刻水平，减小表面过渡层厚度，明确最优材料光学表面标准来测量材料的光学常数。样品制备的严苛性限制了粗糙表面材料等样品的色散特性研究。

在现有的光学常数测量设备中，椭偏仪能较好的应用于具有强反射率的光滑表面的样片，然而对于弱反射率样片或者粗糙样片，椭偏仪无法提取其相应的色散参数。太赫兹时域光谱技术(TDS)大多采用透射式测量方式，通过提取样片的透射率的振幅和相位，获得目标的光学常数。但是TDS技术中，入射信号与参考信号之间微小的匹配误差均会导致测量实验的不准确性，同时测量金属等材料的透射性增加了样品制备的成本。相对于透射式TDS系统，傅里叶光谱仪测量反射率谱易于操作，测量频段宽，适用于各种实际材料，降低了实验成本。结合Kramers-Kronig理论，可方便地获得测量样片的复折射率。然而大多数材料的表面很难做到完全抛光，表面粗糙度会严重影响KK反演的精确性，因而表面粗糙材料的光学特性提取受到了很大约束。

现有光学特性提取实验存在以下缺点：

1.测量环境要求严苛：对于太赫兹等频段的实验测量需要严格控制真空环境，有些设备还需要液氦等提供低温环境；

2.测量频点有限：由于辐射源技术的限制，大多数实验设备只能测量某一个频点或者有限频段范围内的光学常数，限制了宽频带范围内材料色散特性的分析；

3.样片要求严格：光学测量实验需要样品表面光滑，严格控制表面氧化度、掺杂度、覆层厚度等，增加了实验成本。

发明内容

本发明的目的在提供一种利用粗糙表面反射率谱反演材料复折射率的方法，可应用于表面难以抛光的材料色散特性分析，目标散射特性建模，减小粗糙度对光学常数提取造成的影响。

本发明所采用的技术方案是：一种基于粗糙面反射率谱反演材料复折射率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制备三种以上具有不同粗糙表面的金属材质的粗糙样片及相同材料的抛光定标板，利用远红外傅里叶光谱仪测量各个粗糙样片及抛光定标板的远红外反射率谱；基于反射率谱的基尔霍夫近似计算粗糙样片的表面均方根高度(也可采用轮廓仪直接测量表面均方根高度)，为步骤3数值计算光滑表面反射率谱提供数据支持。

步骤2：利用远红外椭偏仪测量抛光定标板的复折射率和反射率谱，为验证步骤1中光谱仪的测量结果提供实验对比，为步骤4中提取材料复折射率提供实验初值。