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简要论述了标量散射理论的研究进展做,着重介绍了Beckman的一维标量散射理论和几种典型的多层膜散射模型-非相关表面粗糙度模型、附加表面粗糙度模型和非相关体内不均匀模型,比较了这些模型在中心波长为632.8nm的11层高反膜的散射特性。结果表明,非相关体内的不均匀性引起反射能带边缘散射,反射能带内的散射主要由附加表面粗糙度引起。理想粗糙度对膜系反射带内的散射影响很小,对反射带边缘几乎无影响。预测了标量散射理论的应用领域及前景。
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激光与光电子学进展激光与光电子学进展
Vol.42,No.11
Nov.2005
第
42
卷
,
第
11
期
2005
年
11
月
激光与光电子学进展激光与光电子学进展
光学表面的标量散射理论
侯海虹
1
,
2
范正修
1
邵建达
1
易葵
1
1
中国科学院上海光学精密机械研究所
,
上海
201800
2
中国科学院研究生院
,
北京
100864
蓸 蔀
摘要 简要论述了标量散射理论的研究进展做
,着重介绍了
Beckman
的一维标量散射理论和几种典型的多层膜散射模
型
原
非相关表面粗糙度模型、附加表面粗糙度模型和非相关体内不均匀模型
,比 较 了 这 些 模型在中心波长为
632.8nm
的
11
层高反膜的散射特性。结果表明,非相关体内的不均匀性引起反射能带边缘散射
,反射能带内的散射主要由附加表面粗糙
度引起。理 想 粗糙度对膜系反射带内的散射影响很小,对 反 射 带 边 缘 几 乎 无 影响。预测了标量散射理论的应用领域及前景。
关键词 光学薄膜 表面散射 标量理论 均方根粗糙度
ScalarScatteringTheoryofOpticalSurfaces
HOUHaihong
1
,
2
FANZhengxiu
1
SHAOJianda
1
YIKui
1
1
ShanghaiInstituteofOpticsandFineMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Shanghai 201800
2
GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing 100864
蓸 蔀
Abstract Theprogressofresearchesonthescalarscatteringtheoryisreviewedbriefly,andtheone-dimensional
scatteringtheorypresentedbyBeckmannandseveraltypicalscatteringmodelssuchastheuncorrelatedsurface
roughnessmodel,theadditivesurfaceroughnessandtheuncorrelatedbulkinhomogeneitymodelareintroduced.
Scatteringpropertiesof11-layerreflectorcenteredat632.8nmunderthosemodelsarecompared.Itisshownthatthe
scatteringatthebandedgesareduealmostentirelytotheuncorrelatedlayerthickness,whilethescatteringinthe
reflectionbandresultsfromtheadditivesurfaceroughness.Thescatteringcausedbyidearoughnessinthereflection
bandisquitesmallanddropstoanearzerovalueatthebandedges.
Keywords opticalfilms surfacescattering scalarscatteringtheory rootmeansquareroughness
收稿日期
: 2005-04-25
;收到修改稿日期
: 2005-05-09
1
引言
光学薄膜的散射损耗是影响薄
膜性能的重要因素之一,在某些对
散射损耗有特殊要求的光学系统或
器件中它对薄膜质量可能产生举足
轻重的影响。特别是在高功率激光
系统中,极小量的光散射吸收都会
在很大程度上影响薄膜的热吸收水
平
[1~3]
。引起光学薄膜散射的原因是
多种多样的,如光学薄膜膜层微观
结构的不均匀性
[4]
,膜层内部材料折
射率的不均匀性
[5
,
6]
,基片表面的粗
糙度及其缺陷在各个薄膜界面上的
复现等。另外,蒸发源喷溅的粒子、
膜层中存在的微尘、裂纹和针孔等
也会在一定程度上引发光散射
[7]
。总
起来说,光学薄膜的散射可分为体
散射和表面散射,前者由薄膜内部
结构的不完善性引起,后者则与粗
糙表面的不规则程度相关。研究发
现,在大多数光学系统中表面散射
的影响是最主要的
[8]
。
多年来,国内外许多学者都一直
致力于光学表面的散射研究,在理论
和实验上均取得了巨大的进展
[9~11]
。
标量散射理论的研究开始于
20
世纪
50
年代,
1954
年
Davies
[13]
发现,雷达
波在海洋表面产生的散射与海洋表
面形貌的统计参数密切相关,并利用
标量方法给出了散射在近镜面反射
光方向的分布。由于光波和雷达波在
本质上都是电磁波,只是波长不同而
已,因此
Davies
的研究成果很快引
起光学界的重视并被应用于光学领
域。标 量 散射理论
[12]
主要研究具有微
观不规则性的光学表面在全空间的
散射光总和与表面均方根
(RootMean
Square
,
RMS)
粗糙度之间的关系,它
以
Helmholtz-Kirchhoff
衍射积分
为基础,在处理散射问题的过程中
不考虑散射光的方向和偏振特性。
1961
年,
BennettHE
和
Por原
teusJO
等
[14]
对上述理论进行了修
正,给出了光线垂直入射情形下高
反金属膜的表面粗糙度与镜面反射
35
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