Reflection of diffuse light from two-dimensional rough surfaces & The light scattering properties of Gaussian-cosine correlated surfaces

Abstract

I denne oppgaven studeres reflektansen til 2D tilfeldig rue overflater opplyst av diffust lys, sammen med sprednings- og de polarimetriske egenskaper til Gaussisk-cosinus korrelerte overflater, gjennom resultater oppnådd fra tunge numeriske simuleringer. Simuleringene var basert på en ikke-perturbativ direkte løsning av den todimensjonale reduserte Rayleigh-ligningen for refleksjon.

Reflektiviteten og reflektansen for både diffust- og rettningsbelyste Gaussisk korrelerte glassflater er presentert og sammenlignet med tidligere oppnådde resultater for 1D overflater. Reflektansen for s-polarisert, p-polarisert og upolarisert diffus belysning er funnet å enten øke eller avta, avhengig av overflatens ruhet. Flere forskjeller er funnet i oppførselen til reflektansen mellom 1D og 2D overflater, avhengig av den karakteristiske lengden på uregelmessighetene, når ruheten økes systematisk.

Den fulle vinkelfordelingen av den gjennomsnittlige differensielle refleksjonskoeffisienten og Mueller-matrisen for lysspredning fra både isotrope og anisotrope Gaussisk-cosinus korrelerte sølvflater er presentert og diskutert i detalj. Disse størrelsene beskriver sprednings- og den polariserende oppførselen til de tilfeldig rue overflatene. Resultatene er samenlignet med tilsvarenede størrelsene som har blitt regnet ut for Gaussisk korrelerte overflater, som representerer det klassiske eksemplet på en ru overflate. Det observeres at de Gaussisk-cosinus korrelerte overflatene har interessante spredningsegenskaper, for eksempel en forsterkning av p-polarisert spredt lys, en nær spekulær undertrykkelse og høy reflektans. Noen av egenskapene er vist å avhenge sterkt av den karakteristiske størrelsen på uregelmessighetene og tilstedeværelsen av overflate plasmon polaritoner. Disse funnene kan være av interesse i ulike bransjer og felt, for eksempel solcelleindustrien, hvor disse egenskapene er ettertraktet.

In this thesis the reflectance of 2D randomly rough surfaces illuminated by diffuse light, along with the scattering and polametric properties of Gaussian-cosine correlated surfaces, is studied through results obtained from rigorous numerical simulations. The simulations were based on a non-perturbational direct solution of the two-dimensional reduced Rayleigh equation for reflection.

The reflectivity and reflectance for both the directional and diffuse illumination of Gaussian correlated glass surfaces is presented and compared to previously obtained results for 1D surfaces. The reflectance for s-polarized, p-polarized and unpolarized diffuse illumination is found to either increase or decrease, depending on the nature of the surface roughness. Several differences are found in the behavior of the reflectance between 1D and 2D surfaces, depending on the characteristic length of the irregularities, when the roughness is systematically increased.

The full angular distribution of the mean differential reflection coefficient and the Mueller matrix for light scattering from both isotropic and anisotropic Gaussian-cosine correlated silver surfaces is presented and discussed in detail. These quantities describe the scattering and polarizing behavior of the randomly rough surfaces. The results are contrasted with the same quantities obtained for Gaussian correlated surfaces, which represent the classically studied example of a rough surface. It is observed that the Gaussian-cosine correlated surfaces have interesting scattering properties, such as an enhancement of p-polarized scattered light, a near specular suppression and a high reflectance. Some of the properties are shown to depend strongly on the characteristic size of the irregularities and the presence of surface plasmon polaritons. These findings could be of interest in various industries, such as the solar cell industry, where these properties are sought after.