粗い位相ステップによる光回折測定

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13155 (2023) この記事を引用

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位相ステップを使用する光回折法 (OD) は干渉法の代替手段であり、さらに環境振動に対する感度が最も低くなります。 したがって、OD は数多くの興味深い計測学的および技術的応用を発見しました。 OD は位相ステップを利用して、フレネル回折パターンの変化による測定対象物の影響を検出します。 最近、我々は、このような測定には無限に鋭い位相ステップが必要ないことを示しましたが、そのような鋭い素子の製造も不可能です。 ここでは、位相ステップ表面の滑らかさの問題に取り組みます。 これまでのところ、OD アプリケーションのすべてにおいて、組み込まれた位相ステップの表面は光学的に滑らかで平坦であると考えられています。 しかし、実際には、精密かつ慎重な製造プロセスであっても、ある程度の粗さや凹凸は避けられません。 位相ステップの OD 回折パターン特性の保存は、位相ステップの表面の粗さのレベルに依存することを示します。 検出可能な縞の数と回折パターンの自己相関関数を、理想的な場合との粗い位相ステップ回折の類似性を評価するための尺度として定義します。 理論的な説明を導き出し、シミュレーションと実験で結果を確認します。

光波面の位相、振幅、位相勾配、偏光状態の急激な変化や閉じ込めにより、かなりのフレネル回折が発生し、回折パターンには回折物体の情報が含まれます1、2、3、4、5。 「光学回折法 (OD)」の技術は、物体の光吸収挙動、光位相変化、偏光特性などの情報を抽出します。 OD は、反射物理ステップからの反射、または異なる屈折率を持つ透明な媒体の境界領域に光を通すことによる透過のいずれかで適用できます。 OD は主に可視光で使用されますが、X 線などの他の波源でも実行できます6。 波動光学解析を使用して、反射モードと透過モードの両方で OD が定式化され、かなり包括的に研究されます 2,3。 しかし、最近、MT Tavassoly は、フレネル回折が基本的な量子力学効果であることを示しました 7。 別の解釈では、位相ステップ回折縞は、位相ステップの両側から出る干渉光波のホログラムと考えることができます8。

回折縞の可視性とその極値の位置は、通常、前述の測定における基準として機能します2、9。 これらのパラメータは、光路差 (OPD) が変化すると変化します。これは、光の入射角、位相ステップの高さ、物体の屈折率、または周囲の媒体の屈折率 (透過モードの場合) の変化によって生じます。 )2.

振動に対する堅牢性、実現可能性、および光干渉法に勝るその他の利点を考慮すると、位相ステップからの OD には、いくつかの吸収計測学的および技術的応用が見出されています。 中でも、ナノメートルスケールでの変位の正確な測定10、薄膜の厚さ11、固体と液体の屈折率12、13、拡散係数3、温度勾配14、エッチング速度15、コヒーレンスパラメータとスペクトル線形状16、x-最も効果的なものとしては、光線屈折率 6、色分散 17、波動測定 18、定量的 3D 位相イメージング 9 などが挙げられます。

以前の OD アプリケーションや理論研究では、位相ステップは常に鋭いステップであると考えられていました。 確かに、このような鋭いステップを作成することは不可能であり、ある程度の鈍さは避けられません。 最近、我々は位相ステップの鈍さが OD 測定に及ぼす影響を調査しました 1。 特に、位相ステップベースの OD では、測定に大きな影響を与えることなく最大 10% の鈍さが許容できることを証明しました。 鈍さパラメータは、位相ステップの結合長とその高さの比として定義できます。