Diffractométrie optique par étapes de phase grossières

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13155 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

La diffractométrie optique (OD) utilisant un pas de phase est une alternative à l'interférométrie et est en outre la moins sensible aux vibrations environnementales. L’OD a donc trouvé de nombreuses applications métrologiques et technologiques intéressantes. OD utilise un pas de phase pour détecter l'influence des objets mesurés par les changements dans le diagramme de diffraction de Fresnel. Récemment, nous avons montré que de telles mesures ne nécessitent pas de pas de phase infiniment nets, bien que la fabrication d’éléments aussi pointus soit également impossible. Ici, nous abordons la question de la douceur des surfaces des échelons de phase. Jusqu'à présent, dans toutes les applications OD, les surfaces des échelons de phase incorporés sont considérées comme optiquement lisses et plates. Cependant, dans la pratique, une certaine rugosité et un manque de planéité sont inévitables, même dans le cadre d'un processus de fabrication précis et minutieux. Nous montrons que la préservation des caractéristiques du motif de diffraction OD d'un échelon de phase dépend du niveau de rugosité des surfaces de l'échelon de phase. Nous définissons le nombre de franges détectables et les fonctions d'autocorrélation des diagrammes de diffraction comme mesures permettant d'évaluer la similarité des diffractions par étapes de phase grossières avec le cas idéal. Nous en déduisons la description théorique et confirmons les résultats par des simulations et des expériences.

Un changement brusque ou un confinement dans la phase, l'amplitude, le gradient de phase ou l'état de polarisation d'un front d'onde lumineuse provoque une diffraction de Fresnel appréciable, et le diagramme de diffraction comprend des informations sur l'objet diffractant1,2,3,4,5. La technique de « diffractométrie optique (OD) » extrait de telles informations, qui peuvent concerner le comportement d'absorption de la lumière de l'objet, les changements de phase optique ou les caractéristiques de polarisation. La DO peut être appliquée soit en réflexion à partir d'une étape physique réfléchissante, soit en transmission en faisant passer la lumière à travers une région limite de milieux transparents avec différents indices de réfraction. L'OD est principalement utilisée avec la lumière visible, mais elle peut également être réalisée par d'autres sources d'ondes telles que les rayons X6. À l’aide de l’analyse optique des ondes, la DO est formulée et étudiée de manière assez approfondie dans les modes de réflexion et de transmission 2,3. Cependant, MT Tavassoly a récemment montré que la diffraction de Fresnel est un effet fondamental de la mécanique quantique7. Dans une autre interprétation, les franges de diffraction du pas de phase peuvent être considérées comme un hologramme des ondes lumineuses interférentes sortant des deux côtés du pas de phase8.

La visibilité des franges de diffraction et les positions de ses extrema servent généralement de critères dans les mesures susmentionnées2,9. Ces paramètres varient à mesure que la différence de chemin optique (OPD) change, qui à son tour résulte des variations de l'angle d'incidence de la lumière, de la hauteur du pas de phase, de l'indice de réfraction de l'objet ou de l'indice de réfraction du milieu environnant (en mode transmission). )2.

Compte tenu de la robustesse aux vibrations, de la faisabilité et d’autres avantages par rapport à l’interférométrie optique, l’OD à partir d’étapes de phase a trouvé plusieurs applications métrologiques et technologiques intéressantes. Parmi eux, la mesure précise des déplacements à des échelles allant jusqu'au nanomètre10, l'épaisseur des couches minces11, les indices de réfraction des solides et des liquides12,13, le coefficient de diffusion3, le gradient de température14, la vitesse de gravure15, les paramètres de cohérence et la forme des raies spectrales16, la mesure directe du x- L'indice de réfraction des rayons6, la dispersion des couleurs17, la mesure d'onde18 et l'imagerie de phase 3D quantitative9 ont été les plus efficaces à citer.

Dans les applications OD antérieures ainsi que dans les études théoriques, le pas de phase a toujours été considéré comme un pas brutal. Bien qu’il soit certainement impossible de fabriquer une mesure aussi radicale et qu’un niveau de franchise soit inévitable. Récemment, nous avons étudié l’impact de la brutalité des étapes de phase sur les mesures de DO1. Nous avons spécifiquement prouvé que jusqu'à 10 % de flou peuvent être tolérés dans la DO basée sur les pas de phase sans effet considérable sur les mesures. Le paramètre de brutalité peut être défini comme le rapport entre la longueur de la conjonction du pas de phase et sa hauteur.