거친 위상 단계에 의한 광학 회절법

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13155(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

위상 단계를 사용하는 광학 회절계(OD)는 간섭계의 대안이며 환경 진동에 대한 민감도가 가장 낮습니다. 따라서 OD는 수많은 흥미로운 도량형 및 기술 응용 프로그램을 발견했습니다. OD는 프레넬 회절 패턴의 변화에 ​​따라 측정 대상 물체의 영향을 감지하기 위해 위상 단계를 활용합니다. 최근에 우리는 이러한 측정에 날카로운 요소를 제작하는 것도 불가능하지만 무한정 날카로운 위상 단계가 필요하지 않다는 것을 보여주었습니다. 여기서는 위상 단계 표면의 매끄러움 문제를 해결합니다. 지금까지 모든 OD 응용 분야에서 통합된 위상 단계의 표면은 광학적으로 부드럽고 평평한 것으로 간주됩니다. 그러나 현실적으로는 정밀하고 세심한 제작과정에서도 어느 정도의 거칠기와 평탄화는 피할 수 없습니다. 우리는 위상 단계의 OD 회절 패턴 특성을 보존하는 것이 위상 단계 표면의 거칠기 수준에 따라 달라짐을 보여줍니다. 우리는 이상적인 경우에 대한 거친 위상 단계 회절의 유사성을 평가하기 위한 측정값으로 회절 패턴의 감지 가능한 무늬 수와 자기 상관 함수를 정의합니다. 이론적 설명을 도출하고 시뮬레이션과 실험을 통해 결과를 확인합니다.

위상, 진폭, 위상 구배 또는 광 파면의 편광 상태의 급격한 변화 또는 제한은 상당한 프레넬 회절을 일으키며 회절 패턴에는 회절 물체의 정보가 포함됩니다1,2,3,4,5. "광학 회절법(OD)" 기술은 물체의 광 흡수 거동, 광학 위상 변화 또는 편광 특성에 관한 정보를 추출합니다. OD는 반사 물리적 단계의 반사에 적용하거나 굴절률이 다른 투명 매체의 경계 영역을 통해 빛을 통과시켜 투과에 적용할 수 있습니다. 대부분 OD는 가시광선에 사용되지만 X-ray6와 같은 다른 파동 소스로도 수행할 수 있습니다. 파동 광학 분석을 사용하여 OD는 반사 및 전송 모드 모두에서 다소 포괄적으로 공식화되고 연구됩니다2,3. 그러나 최근 MT Tavassoly는 프레넬 회절이 기본적인 양자 역학 효과임을 보여주었습니다. 또 다른 해석에서, 위상 단계 회절 줄무늬는 위상 단계의 양면을 떠나는 간섭 광파의 홀로그램으로 간주될 수 있습니다8.

회절 무늬의 가시성과 극값의 위치는 일반적으로 앞서 언급한 측정에서 기준으로 사용됩니다. 이러한 매개변수는 광학 경로 차이(OPD) 변화에 따라 달라지며, 이는 빛의 입사각, 위상 단차 높이, 물체의 굴절률 또는 주변 매체의 굴절률(전송 모드에서)의 변화로 인해 발생합니다. )2.

견고성, 진동, 타당성 및 광학 간섭계에 대한 기타 장점을 고려하면 위상 단계의 OD는 여러 가지 흡수적인 계측 및 기술 응용 분야를 발견했습니다. 그 중에서도 나노미터10, 박막 두께11, 고체 및 액체의 굴절률12,13, 확산 계수3, 온도 구배14, 에칭 속도15, 일관성 매개변수 및 스펙트럼 선 모양16, x-의 직접 측정에서 변위의 정밀한 측정 광선 굴절률6, 색 분산17, 파장 측정18, 정량적 3D 위상 이미징9 등이 가장 효과적인 것으로 알려져 있습니다.

이전의 OD 적용과 이론 연구에서 위상 단계는 항상 날카로운 단계로 간주되었습니다. 그러한 날카로운 스텝을 만들어내는 것은 확실히 불가능하지만, 어느 정도의 무뚝뚝함은 피할 수 없습니다. 최근에 우리는 OD 측정에 대한 위상 단계의 둔함이 미치는 영향을 조사했습니다1. 우리는 측정에 큰 영향을 주지 않고 위상 단계 기반 OD에서 최대 10%의 둔함이 허용될 수 있음을 구체적으로 입증했습니다. 무딘 매개변수는 위상 계단의 결합 길이와 높이의 비율로 정의될 수 있습니다.