Diffrattometria ottica mediante passaggi di fase grossolana

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13155 (2023) Citare questo articolo

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La diffrattometria ottica (OD) che utilizza una fase di fase è un'alternativa all'interferometria, inoltre ha la minore sensibilità alle vibrazioni ambientali. Pertanto, OD ha trovato numerose ed interessanti applicazioni metrologiche e tecnologiche. OD utilizza una fase di fase per rilevare l'influenza degli oggetti sottoposti a misurazione mediante i cambiamenti nel modello di diffrazione di Fresnel. Recentemente, abbiamo dimostrato che tali misurazioni non richiedono passi di fase infinitamente netti, sebbene anche la fabbricazione di elementi così netti sia impossibile. Qui affrontiamo il problema della levigatezza delle superfici dei gradini di fase. Finora, in tutte le applicazioni OD le superfici dei passaggi di fase incorporati sono considerate otticamente lisce e piane. Tuttavia, in pratica, una certa quantità di ruvidità e non planarità è inevitabile anche in un processo di fabbricazione preciso e accurato. Mostriamo che preservare le caratteristiche del modello di diffrazione OD di una fase di fase dipende dal livello di rugosità nelle superfici della fase di fase. Definiamo il numero di frange rilevabili e le funzioni di autocorrelazione dei modelli di diffrazione come misure per valutare la somiglianza delle diffrazioni a fasi di fase grezza con il caso ideale. Deriviamo la descrizione teorica e confermiamo i risultati con simulazioni ed esperimenti.

Un brusco cambiamento o confinamento nella fase, nell'ampiezza, nel gradiente di fase o nello stato di polarizzazione di un fronte d'onda luminoso provoca un'apprezzabile diffrazione di Fresnel e il modello di diffrazione include informazioni sull'oggetto diffrante1,2,3,4,5. La tecnica della “Diffrattometria Ottica (OD)” estrae tali informazioni, che possono riguardare il comportamento di assorbimento della luce dell'oggetto, i cambiamenti di fase ottica o le caratteristiche di polarizzazione. L'OD può essere applicato sia in riflessione da un passaggio fisico riflettente, sia in trasmissione facendo passare la luce attraverso una regione limite di mezzi trasparenti con diversi indici di rifrazione. Principalmente l'OD viene utilizzata con la luce visibile, ma può essere eseguita anche da altre sorgenti di onde come i raggi X6. Utilizzando l'analisi dell'ottica ondulatoria, l'OD è formulato e studiato in modo piuttosto completo sia in modalità di riflessione che di trasmissione2,3. Tuttavia, recentemente MT Tavassoly ha dimostrato che la diffrazione di Fresnel è un effetto quantistico fondamentale7. In un'altra interpretazione, le frange di diffrazione del passo di fase possono essere considerate come un ologramma delle onde luminose interferenti che lasciano i due lati del passo di fase8.

La visibilità delle frange di diffrazione e le posizioni dei suoi estremi servono solitamente come criteri nelle misurazioni sopra menzionate2,9. Questi parametri variano al variare della differenza del percorso ottico (OPD), che a sua volta è il risultato delle variazioni dell'angolo di incidenza della luce, dell'altezza dello sfasamento, dell'indice di rifrazione dell'oggetto o dell'indice di rifrazione del mezzo circostante (in modalità di trasmissione )2.

Considerando la robustezza, le vibrazioni, la fattibilità e altri vantaggi rispetto all'interferometria ottica, l'OD dalle fasi di fase ha trovato diverse applicazioni metrologiche e tecnologiche interessanti. Tra cui, misurazione precisa degli spostamenti su scala fino al nanometro10, spessore del film sottile11, indici di rifrazione di solidi e liquidi12,13, coefficiente di diffusione3, gradiente di temperatura14, velocità di attacco15, parametri di coerenza e forma della linea spettrale16, misurazione diretta dell'x- l'indice di rifrazione dei raggi6, la dispersione del colore17, la wavemetria18 e l'imaging quantitativo di fase 3D9 sono stati i più efficaci da citare.

Nelle applicazioni OD precedenti e negli studi teorici, il passo di fase è sempre stato considerato un passo netto. Anche se è certamente impossibile realizzare un passo così netto e un livello di schiettezza è inevitabile. Recentemente, abbiamo studiato l'impatto della smussatura dei passaggi di fase sulle misurazioni OD1. Abbiamo specificamente dimostrato che fino al 10% di ottusità può essere tollerata in OD basati su fasi senza effetti considerevoli sulle misurazioni. Il parametro di ottusità può essere definito come il rapporto tra la lunghezza della congiunzione del passo di fase e la sua altezza.