Оптическая дифрактометрия по грубым фазовым ступеням

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13155 (2023) Цитировать эту статью

227 Доступов

Подробности о метриках

Оптическая дифрактометрия (ОД) с использованием фазовой ступени является альтернативой интерферометрии, кроме того, обладает наименьшей чувствительностью к вибрациям окружающей среды. Таким образом, ОД нашел множество интересных метрологических и технологических применений. OD использует фазовый шаг для обнаружения влияния измеряемых объектов по изменениям дифракционной картины Френеля. Недавно мы показали, что такие измерения не требуют бесконечно острых фазовых ступеней, хотя изготовление таких острых элементов также невозможно. Здесь мы обращаемся к вопросу о гладкости поверхностей фазовых ступенек. До сих пор во всех приложениях ОД поверхности внедренных фазовых ступеней считаются оптически гладкими и плоскими. Однако на практике некоторая шероховатость и неплоскостность неизбежна даже при точном и тщательном процессе изготовления. Показано, что сохранение характеристик ОД-дифракционной картины фазовой ступеньки зависит от уровня шероховатости поверхностей фазовой ступеньки. Мы определяем количество обнаруживаемых полос и автокорреляционные функции дифракционных картин как меры оценки сходства грубых фазовых ступенчатых дифракций с идеальным случаем. Мы получаем теоретическое описание и подтверждаем результаты моделированием и экспериментами.

Резкое изменение или ограничение фазы, амплитуды, фазового градиента или состояния поляризации светового волнового фронта вызывает заметную дифракцию Френеля, а дифракционная картина включает в себя информацию о дифрагирующем объекте1,2,3,4,5. Метод «оптической дифрактометрии (ОД)» извлекает такую ​​информацию, которая может касаться поведения объекта в поглощении света, оптических фазовых изменениях или характеристиках поляризации. ОД может применяться либо при отражении от отражающей физической ступени, либо при передаче путем пропускания света через граничную область прозрачных сред с разными показателями преломления. В основном ОД используется с видимым светом, но его также можно выполнять с помощью других источников волн, таких как рентгеновские лучи6. С помощью анализа волновой оптики формулируется и достаточно полно исследуется ОД как в режимах отражения, так и в режимах пропускания2,3. Однако недавно М.Т. Тавассоли показал, что дифракция Френеля является основным квантовомеханическим эффектом7. В другой интерпретации дифракционные полосы фазовой ступеньки можно рассматривать как голограмму интерферирующих световых волн, выходящих с двух сторон фазовой ступеньки8.

Критерием в вышеупомянутых измерениях обычно служит видимость дифракционных полос и положение их экстремумов2,9. Эти параметры изменяются по мере изменения оптической разности хода (ОПД), что, в свою очередь, является результатом изменения угла падения света, высоты фазовой ступеньки, показателя преломления объекта или показателя преломления окружающей среды (в режиме пропускания )2.

Учитывая устойчивость к вибрациям, технологичность и другие преимущества по сравнению с оптической интерферометрией, ОП на основе фазовых ступеней нашла несколько интересных метрологических и технологических применений. Среди них точное измерение смещений в масштабах до нанометров10, толщины тонкой пленки11, показателей преломления твердых тел и жидкостей12,13, коэффициента диффузии3, температурного градиента14, скорости травления15, параметров когерентности и формы спектральной линии16, прямого измерения x- показатель преломления лучей6, цветовая дисперсия17, волновая метрия18 и количественная трехмерная фазовая визуализация9 были наиболее эффективными из них.

В предшествующих приложениях ОД, а также в теоретических исследованиях фазовый шаг всегда считался резким. Хотя изготовить такой резкий шаг, конечно, невозможно, и неизбежен уровень резкости. Недавно мы исследовали влияние затупления фазовых ступеней на измерения ОП1. Мы специально доказали, что притупление до 10% можно допустить при ОП на основе фазового шага без существенного влияния на измерения. Параметр затупления можно определить как отношение длины соединения фазовой ступеньки к ее высоте.