بخشی از مقاله
چکیده -روش مقطع نگاری همدوس نوری - OCT - در محدوده زمانی به عنوان یک روش غیرتماسی و غیر مخرب برای ضخامت سنجی مواد مختلف شفاف بکار گرفته می شود. این روش به دلیل استفاده از تداخل سنجی توسط یک منبع نور با پهنای باند وسیع و طول همدوسی کم، دارای قدرت تفکیک محوری بالا و دقت کافی می باشد. در این مقاله به طور تجربی نشان خواهیم داد که روش مقطع نگاری همدوس نوری می تواند به عنوان یک روش دقیق جهت اندازه گیری ضخامت لایه های شفاف میکرونی نظیرکریستال دوشکستی لیتیوم نیوبات - LiNbo3 - و پلیمر پلی استیرن سولفونات اسید - PSSA - ، مورد استفاده قرار گیرد.
-1 مقدمه
کاربرد تکنیک های نوری در زمینه های تشخیصی، تصویربرداری و اندازه گیری، پیشینه تاریخی گسترده ای دارد. در این میان تکنیک های تداخل سنجی با به کارگیری ویژگی های همدوسی نور، یکی از روش های اندازه گیری با عملکرد ساده و دقت بالا می باشند. یکی از روش های تصویربرداری بر پایه تداخل سنجی توسط منبع با طول همدوسی کم، مقطع نگاری همدوس نوری - OCT - است که قابلیت اندازه گیری ضخامت و ضریب شکست لایه های مختلف مواد بیولوژیکی و غیر بیولوژیکی را با قدرت تفکیک فضائی میکرونی دارا میباشد.
نخستین بار مایکلسون در سال 1893 نشان داد که از نور سفید میتوان برای تخمین ارتفاع اتانول های پله ای استفاده کرد.[1] روش OCT بر پایه تداخل سنج مایکلسون توسط منبع نور با طول همدوسی کم بوده که در آن، یک باریکه گسیل شده از منبع نور با طول همدوسی بسیار کم، توسط یک شکافنده پرتو به دو باریکه با شدت برابر تقسیم شده و وارد دو بازو میگردد. در نهایت نور بازتابی از دو بازو در اختلاف راهی در محدوده طول همدوسی منبع نور با هم تداخل کرده و طرح فراتژی حاصل میشود. این تکنیک برای نقشه برداری از سطوح و مقطع نگاری مورد استفاده قرار میگیرد.
در نقشه برداری با اندازه گیری مقدار جابه جایی فرانژها، میتوان پروفایل سطوح را تا مرتبه نانومتری بدست آورد[2] و در مقطع نگاری با پیدا کردن قله شدت میتوان مکان سطوح بازتابنده و در نتیجه ضخامت لایه ها را بدست آورد.[3] کاربرد OCT در ضخامت سنجی نمونه های غیربیولوژیکی نظیر پلیمر، سرامیک، لایه های رنگ، کاغذ، عناصر ریز مکانیکی و نمونه های بیولوژیکی نظیر لایه های چشم، پوست و ... اهمیت فراوان دارد، لذا در این مقاله قابلیت ضخامت سنجی این تکنیک در اندازه گیری لایه های شفاف میکرونی نشان داده خواهد شد.
برای این منظور، ابتدا فیزیک OCT بر پایه تداخل سنجی با طول همدوسی کم، بیان شده و معادلات ریاضی آن آورده میشود، سپس در بخش تجربی ضخامت دو لایه از مواد شفاف نظیر کریستال لیتیوم نیوبات و پلیمر PSSA با استفاده از این روش اندازه گیری میشود و نتایج حاصل از ثبت سیگنالها جهت اندازه گیری ضخامت مورد بررسی قرار میگیرند.
-2 تئوری و معادلات ریاضی
در یک سیستم ضخامت سنجی توسط روش مقطع نگاری همدوس نوری بر پایه تداخل سنج مایکلسون، منبع نوری با طول همدوسی کم - منبع نور پهن باند - نظیر لامپ، SLD و یا لیزرهای فمتوثانیه جهت نوردهی به نمونه بکار برده میشود. بطوریکه در یک بازوی تداخل سنج - بازوی مرجع - ، آینه و در بازوی دیگر - بازوی نمونه - ، یک نمونه چند لایه قرار میگیرد.
به این منظور آینه مرجع اسکن میشود و در هر مکانی که اختلاف راه بازوی مرجع و سطوح در طول همدوسی منبع نور قرار گیرد، سیگنالی ثبت میگردد که بیشینه آن مربوط به اختلاف راه صفر بوده و مکان دقیق سطوح را نشان میدهد. به منظور جداسازی این جمله و حذف جملات دیگر در رابطه - 2 - از تکنیک آشکارسازی هتروداین استفاده میکنیم. در این تکنیک یک فرکانس مرجع، معروف به فرکانس حامل به سیستم معرفی و عمل مدولاسیون انجام میگیرد.
در مرحله بعد با اعمال فیلتر میان گذر بر روی سیگنال الکترونیکی بدست آمده از آشکارساز در محدوده فرکانس حامل، عمل دمدولاسیون صورت میگیرد و در نهایت پروفایل شدت بر حسب عمق نمونه در رایانه نمایش داده میشود. عمل مدولاسیون و دمدولاسیون فوق به کمک تقویت کننده قفل-شونده و مبدل پیزوالکتریک که توسط مولد سیگنال همزمان سازی شده اند انجام میگیرد.
-3چیدمان آزمایش
اندازه گیری ضخامت مواد مختلف توسط چیدمان تجربی نشان داده شده در شکل - 1 - انجام شده است. در این چیدمان از یک لامپ هالوژن -تنگستن با طول موج مرکزی 590 و پهنای طیفی گسترده 250 نانومتر و طول همدوسی 2 میکرون که منجر به تفکیک محوری 1 میکرونی می شود، استفاده شده است. نور خروجی از لامپ ابتدا جهت افزایش همدوسی فضائی توسط لنز - 1 - بر روی روزنه تصویر شده و سپس توسط لنز - 2 - بر روی آینه و نمونه مورد اندازهگیری کانونی میشود.
به منظور ایجاد تاخیر زمانی - اختلاف راه - ، آینه بر روی یک دستگاه حرکتی که توسط نرم افزار کنترل میشود قرار گرفته و اسکن در عمق نمونه انجام میشود. با اتصال آینه متحرک به یک مبدل پیزوالکتریک که از یک مولد سیگنال تغذیه میشود، سیگنال حامل تولید و عمل مدولاسیون انجام میشود. در اینجا فرکانس اعمالی به مبدل پیزوالکتریک، 1 کیلوهرتز انتخاب شده و به عنوان مرجع به تقویت کننده قفل_شونده اعمال میشود تا فقط به فرکانسهایی در همین محدوده پاسخ داده و اطلاعات مربوط به آنها را اندازه گیری کند. کلیه اعمال کنترلی و هماهنگی دستگاه ها و ثبت و پردازش سیگنال توسط کد نوشته شده در برنامه LabVIEW انجام میگیرد.
