粗糙表面激光散射的偏振依赖特性研究(3)
1．2 国内外研究现状
1.3 本文主要工作
本文主要对散射光的偏振特性进行研究，设计了粗糙表面激光散射偏振依赖特性的实验装置，并研究粗糙表面激光散射的偏振依赖特性。主要工作如下；
（1） 通过资料调研和阅读，较为全面地总结了粗糙表面散射光偏振特性的研究现状，包括理论与实验研究，并评述其研究价值。
（2） 从基本理论出发，对必要的散射理论进行了论述，重点介绍了斯托克斯矢量，并给出了偏振光偏振度和退偏度的计算公式。
（3） 探索粗糙表面激光散射偏振依赖特性的测试方法，并设计测试光路，使实验装置能够在905nm波段下工作。实验研究入射角、入射光的偏振状态、目标表面的粗糙程度、不同目标表面(金属和非金属)等对散射光偏振特性的影响，并给出定量结果。
（4） 根据实验数据，分析散射光偏振依赖特性，比较不同情况下的目标表面偏振性质。
2 粗糙目标表面光散射的基本理论
2.1 随机粗糙表面的统计描述
实际表面的粗糙性在很大程度上影响了波的散射特性。粗糙面的散射问题涉及到电磁波与粗糙界面及随机介质的相互作用。随机表面可被看做空间坐标的随机函数，它们由各种物理过程随机产生。每个随机表面是相应过程的一个样本。我们可以借助随机过程的相关概念来描述表面的统计性质。根据随机过程理论，随机表面的统计性质一般可以用以下3个参数描述：
1.高度平均值 ， ；
2.标准偏差 ，即高度起伏相对于平均值的偏离程度，又称均方根高度， ；
3.表面自相关长度T，代表了表面起伏的疏密程度。
图2.1 描述粗糙表面的统计参数(高度平均值 ,标准偏差 ,表面自相关长度T)
从上图中可以直观地看出，表面粗糙度取决于 和T两个参数， 越大或T越小，则表面越粗糙；反之则越光滑。理想的平面对应于 =0和 。
自然界表面的生成是多种因素共同作用的结果，根据中心极限定理，这类表面近似满足高斯分布。高斯表面的均方根斜率定义为
参考现有的实验和理论，可以把表面定性地划分为四种类型[25]：微粗糙（ ）、弱粗糙（ ）、强粗糙（ ）和极粗糙（ ）。
2.2 随机粗糙表面的光散射理论
2.2.1 散射场和散射功率
在光学波段，生活中常见的表面大多应看作是粗糙表面。若对粗糙面的某些物理量作一定的近似，散射波是可以简化或近似求解的。目前，计算粗糙面电磁散射问题的近似方法主要有积分方程方法（IEM）、基尔霍夫近似法（KA）、微扰法（SPM）、小斜率近似法（SSA）、双尺度方法（TSM）、消光定理法（ET）、全波法（FWA）和相位微扰法（PPT）[26]等。本节将运用积分方程方法（IEM）讨论粗糙表面散射问题。
图2.2 粗糙面的电磁散射示意图
积分方程方法的出发点是把未知的表面散射场分成两个部分求解：一部分为基尔霍夫场，即所谓的切面近似场；另外一个部分为用来对基尔霍夫场做进一步补充和修正的补偿场。如图2.2所示，假定一平面波入射到某粗糙物体表面，图中 、 分别为入射角和对应的散射角，而 和 分别为入射波的方位角和对应散射波的方位角。图2.2假定入射面在XZ面内，所以我们就有 。入射波的电场为
式中 ， 为波数，入射波的波矢量为 ，入射波的单位极化矢量为 ，入射波的电场振幅为 ， 为粗糙面上半空间的波阻抗。基尔霍夫场和补偿场两者相加来表示表面场的切向分量，即
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