Difratometria óptica por etapas de fase aproximada

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13155 (2023) Citar este artigo

227 Acessos

Detalhes das métricas

A difratometria óptica (DO) utilizando um passo de fase é uma alternativa para interferometria, além disso, tem menos sensibilidade às vibrações ambientais. Portanto, o DO encontrou inúmeras aplicações metrológicas e tecnológicas interessantes. OD utiliza uma etapa de fase para detectar a influência dos objetos sob medição pelas mudanças no padrão de difração de Fresnel. Recentemente, mostramos que tais medições não requerem passos de fase infinitamente nítidos, embora a fabricação de tais elementos nítidos também seja impossível. Aqui, abordamos a questão da suavidade das superfícies dos degraus de fase. Até agora, em todas as aplicações OD as superfícies das etapas de fase incorporadas são consideradas opticamente lisas e planas. No entanto, na prática, alguma rugosidade e irregularidade são inevitáveis, mesmo em processos de fabricação precisos e cuidadosos. Mostramos que a preservação das características do padrão de difração OD de uma etapa de fase depende do nível de rugosidade nas superfícies da etapa de fase. Definimos o número de franjas detectáveis ​​e funções de autocorrelação dos padrões de difração como as medidas para avaliar a similaridade das difrações de fase grosseira com o caso ideal. Derivamos a descrição teórica e confirmamos os resultados com simulações e experimentos.

Uma mudança abrupta ou confinamento na fase, amplitude, gradiente de fase ou estado de polarização de uma frente de onda de luz causa difração de Fresnel apreciável, e o padrão de difração inclui informações do objeto de difração . A técnica de “Difratometria Óptica (DO)” extrai essas informações, que podem ser sobre o comportamento de absorção de luz do objeto, mudanças de fase óptica ou características de polarização. OD pode ser aplicado na reflexão a partir de uma etapa física reflexiva ou na transmissão pela passagem da luz através de uma região limite de meio transparente com diferentes índices de refração. Principalmente a DO é usada com luz visível, mas também pode ser realizada por outras fontes de ondas, como raios X6. Usando a análise óptica de ondas, o OD é formulado e estudado de forma bastante abrangente nos modos de reflexão e transmissão . No entanto, recentemente MT Tavassoly mostrou que a difração de Fresnel é um efeito mecânico quântico básico7. Numa outra interpretação, as franjas de difração do degrau de fase podem ser consideradas como um holograma das ondas de luz interferentes que saem dos dois lados do degrau de fase .

A visibilidade das franjas de difração e as posições de seus extremos costumam servir de critério nas medidas citadas2,9. Esses parâmetros variam conforme a diferença de caminho óptico (OPD) muda, que por sua vez é resultado de variações no ângulo de incidência da luz, altura do passo de fase, índice de refração do objeto ou índice de refração do meio circundante (no modo de transmissão )2.

Considerando a robustez novamente, vibrações, viabilidade e outras vantagens sobre a interferometria óptica, o OD de etapas de fase encontrou diversas aplicações metrológicas e tecnológicas absorventes. Entre eles, medição precisa de deslocamentos em escalas até nanômetros10, espessura de filme fino11, índices de refração de sólidos e líquidos12,13, coeficiente de difusão3, gradiente de temperatura14, taxa de gravação15, parâmetros de coerência e formato de linha espectral16, medição direta do x- índice de refração de raios6, dispersão de cores17, wavemetry18 e imagens quantitativas de fase 3D9 foram os mais eficazes para citar.

Nas aplicações anteriores de DO, bem como em estudos teóricos, o passo de fase sempre foi considerado um passo acentuado. Embora seja certamente impossível fabricar um passo tão brusco e um nível de franqueza seja inevitável. Recentemente, investigamos o impacto da contundência das etapas de fase nas medições de DO . Nós provamos especificamente que até 10% de aspereza pode ser tolerada em DO baseada em etapas de fase, sem efeito considerável nas medições. O parâmetro de embotamento pode ser definido como a razão entre o comprimento da conjunção do degrau de fase e sua altura.