拉曼光谱力学实验中的精细测量理论与外光路系统

摘要

显微拉曼光谱技术因其高空间分辨率、无损非接触、对本征应力敏感等优点，成了微尺度实验力学测量的有效手段。有关基于拉曼光谱的实验力学理论、技术与应用研究，国内外学者已取得了一系列的成果，但对于力学精细测量与精准表征还存在若干关键的局限和瓶颈。在表征理论方面，对复杂结构、材料的测量中往往沿用表面或者简单晶向的拉曼-力学关系，导致得到的应力/应变结果不准确甚至谬误；在仪器装备方面，现有的商用拉曼光谱仪系统均没有或欠缺加载夹持装置及相关扩展能力，难以满足精密控制载荷下的力学分析要求。针对这些问题，本文建立了任意晶面的拉曼力学模型，并设计、研制了独立的显微拉曼外光路系统。
　　首先，本文分别从广义胡克定律、频移-应变关系以及拉曼选择定则三个方面，建立了单晶硅任意晶面的拉曼-力学模型。以(100)、(110)和(111)三个常用典型晶向为例，对公式的应用过程进行了展示，给出了常见的应力状态各晶向拉曼测量所对应的拉曼-应力关系，从而为半导体材料异质结构在应力状态下的光谱力学精准测量提供了充分的理论依据。利用该拉曼-力学模型，本文以锗硅合金应变硅材料为研究对象，针对该多层异质结构的残余应力问题开展了精细拉曼实验测量，得到了该多层异质结构横截面残余应力沿深度方向的分布。
　　本文设计并研制了独立的显微拉曼外光路系统并将其与 Ranishaw InVia Reflex商用的显微共焦偏振拉曼光谱系统、微型加载系统成功耦合在一起。该系统的观察光路可以进行白光照明，显微观察样品的全貌，以及样品的测量区域选择等，其功能等同于一个完整的光学显微镜。激光光路利用同轴光路并通过光纤耦合，实现拉曼信号的激发和收集功能。利用该耦合系统，开展了芳纶纤维的拉伸实验，得到了该材料应力-频移曲线。实验结果显示，使用外光路系统得到的结果与商用拉曼光谱系统吻合，从而表明利用本文所研发的外光路系统能够有效地拓展显微拉曼光谱力学测量的应用范围，实现复杂载荷环境下的精细力学测量。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究动态

1.3本文的主要工作

第二章 拉曼光谱力学测量的理论基础与实验系统

2.1拉曼光谱力学测量的理论基础

2.2显微拉曼光谱力学测量系统的基本结构

2.3近场拉曼系统的基本结构

2.4本章小结

第三章 单晶硅拉曼-力学关系的建立

3.1坐标系的建立

3.2应力-应变关系的转换

3.3晶格动力学方程的转换

3.4拉曼选择定则

3.5典型晶面举例

3.6本章小结

第四章 显微拉曼外光路系统的研制与整合

4.1显微拉曼外光路系统的设计与研制

4.2白光光路设计

4.3拉曼信号光路

4.4本章小结

第五章 验证实验与分析

5.1外光路系统、商用拉曼光谱仪及加载系统的耦联

5.2锗硅合金的显微拉曼实验

5.3本章小结

第六章 工作总结及展望

6.1本文工作总结

6.2进一步工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢