粗糙表面光谱特性及其反问题的研究

论文摘要

粗糙表面光谱特性在学术研究领域和实际工程运用中都有着重要的价值。基于光谱特性反演表面结构的反问题,由于在高效率利用能源的太阳能电池等光学器件的优化设计领域中的广泛应用,也受到了广泛关注。本文围绕粗糙表面光谱特性及其反问题,研究以下几个方面内容：(1)微结构粗糙表面光谱特性的理论计算方法从麦克斯韦方程组出发,描述热辐射波与微结构表面相互作用后空间的电磁场量。运用时域有限差分方法,求解Maxwell方程组。引入双向反射分布函数分析与微结构粗糙表面作用后能流在空间的分布情况。基于坡印廷定理讨论热辐射能流的计算方法。(2)二维粗糙表面光谱特性的理论研究讨论表面结构形态,入射角度,入射波偏振状态对二维粗糙表面光谱特性的影响,分析各因素在抑制热辐射过程方面的作用。研究结果表明,在一定范围内,改变结构形态特征和入射角度会减小表面反射率。具有减反性质的粗糙表面具有两个主要特征：表面具有相对较大的粗糙度；经表面反射后能流分布在较宽广的角度范围。BRDF在镜向附近出现峰值,表面越光滑,峰值越明显。偏振状态对热辐射过程的抑制作用不大,对表面反射率和BRDF影响较小。(3)二维粗糙表面光谱特性的实验研究采用原子力显微镜对粗糙表面结构形态进行实验测试,测量不同结构形态特征的粗糙表面在不同入射角度下的BRDF。实验结果与理论研究结论相一致,表明了表面粗糙度越小,BRDF峰值越明显。表面粗糙度增大是导致BRDF出现次峰的原因之一。(4)粗糙表面光谱特性反问题计算方法明确反问题的分析过程。从优化角度出发,采用粒子群优化算法建立基于光谱特性的反问题的分析模型,确定模型参数更新方法。讨论反问题分析模型中先验信息的选择方法。(5)粗糙表面光谱特性反问题的计算研究论证反问题分析模型的可行性和准确性,分析模型的计算性能和抗噪性能。分析结果表明模型具有较好的计算性能和抗噪性能,适用于分析复杂的反问题。运用MATLAB的小波工具箱,对反问题分析模型的先验信息进行去噪。反问题研究了一维粗糙表面,一维光栅结构,二维粗糙表面结构形貌和表面材料参数的反演。将反问题的求解思路运用到热辐射光谱特性控制结构的优化设计中,对减反膜结构进行逆设计。研究表明结构形态特征,入射角度,入射波偏振状态对二维粗糙表面光谱特性存在不同程度的影响。与正问题的研究相结合,对基于光谱特性反演表面结构和材料属性的反问题的一系列研究,在深入分析热辐射波与表面结构相互作用机理和热辐射光谱特性控制结构优化设计等领域具有重要应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图表目录
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 粗糙表面光谱特性研究背景
• 1.1.2 粗糙表面光谱特性的应用
• 1.1.3 粗糙表面光谱特性研究方法
• 1.1.4 粗糙表面光谱特性反问题的概念
• 1.1.5 粗糙表面光谱特性反问题的应用
• 1.1.6 粗糙表面光谱特性反问题的研究方法
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 粗糙表面光谱特性的国内外研究动态
• 1.2.2 粗糙表面光谱特性反问题的国内外研究动态
• 1.3 本文研究内容
• 2 粗糙表面光谱特性的理论计算方法
• 2.1 麦克斯韦方程
• 2.2 热辐射能量表述
• 2.3 数值计算方法
• 2.3.1 FDTD基本算法
• 2.3.2 数值稳定性
• 2.3.3 周期边界条件
• 2.3.4 吸收边界条件
• 2.3.5 近场-远场变换
• 2.4 双向反射分布函数
• 2.5 本章小结
• 3 二维粗糙表面光谱特性的理论研究
• 3.1 结构形态特征的影响
• 3.2 入射角度的影响
• 3.3 偏振状态的影响
• 3.4 本章小结
• 4 二维粗糙表面光谱特性的实验研究
• 4.1 粗糙表面形貌的测试
• 4.2 双向反射分布函数的测量
• 4.3 理论计算与实验测试结果综合分析
• 4.4 本章小结
• 5 粗糙表面光谱特性反问题分析方法
• 5.1 优化理论基础
• 5.2 粒子群优化算法
• 5.3 分析模型
• 5.4 本章小结
• 6 粗糙表面光谱特性反问题的计算研究
• 6.1 基于远场散射强度的表面反演问题
• 6.2 模型抗噪性分析及先验信息的去噪
• 6.3 基于近场辐射特性的表面反演问题
• 6.3.1 一维光栅结构反演
• 6.3.2 二维粗糙表面形貌反演
• 6.3.3 材料参数反演
• 6.4 光谱特性控制结构逆设计
• 6.4.1 单层减反膜结构设计
• 6.4.2 双层减反膜结构设计
• 6.5 本章小结
• 7 结束语
• 7.1 主要结论
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的相关文章