헤테로다인 I/Q-간섭계 및 그 응용 : 변위, 광유도 비등방성, 표면구조 측정
Heterodyne I/Q-Interferometer and its Applications : Measurement of displacement, Photo-Induced Anisotropy and Mapping a Surface Structure
- 주제(키워드) heterodyne interferometer , displacement , phto-induced anisotropy , mapping surface structure
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 조규만
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 박사
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000045083
- 본문언어 한국어
초록/요약
In this thesis, using a dual-frequency , dual polarization, and frequency stabilized He-Ne laser as a light source, heterodyne interferometer which can measure simultaneously the phase and amplitude of signal has been developed. By use of this heterodyne interferometer, we can measure the displacement, anisotropy of optical media, and topography of homogeneous and inhomogeneous surface. Displacement sensor using interferometer has been used for small displacement measurement with very small uncertainty, because of the very high sensitivity with the limit of shot noise level. With a dual-frequency , dual polarization, and frequency stabilized beam and an In/Quadrature phase demodulation scheme for processing intermediate frequency heterodyne beat signal of the interferometer, we can simultaneously measure the phase and amplitude change induced in the signal beam. Also, we can show that the displacement sensor can be integrated into a small size fiber/bulk hybrid sensor unit by the use of a polarization maintaining optical fiber. I/Q heterodyne interferometer scheme and pump-probe geometry have been used for studying the pump light induced optical anisotropy at the 633 nm probe light wavelength. The wavelength of the pump light was 532 nm. As a result of the small perturbation caused by a small periodic variation on the beam shape of the chopped optical beam, the sign of the induced dichroism was inverted after 3-4 hours at 510 mW/cm2 pump power. This result shows that there are at least two different mutually competing orientation mechanism of the anisotropic micro-volume elements in the Fritzshe's model and Asatryan's model, which result in switching from the initial orientation state to the other orientation state. Using I/Q heterodyne interferometer and objective lens, we have developed optical scanning microscope scheme which can map both phase and amplitude change of the probe beam, We can measure the phase and amplitude of the homogeneous and inhomogeneous surfaces. From the results of the phase measurements in the case of homogeneous surface, we have been able to map the 3D structure of the surface . We also have been able to obtain the map of the amplitude of the Probe beam, which is equivalent to the map of the ELRC(effective Local Reflection Coefficient). From the result of phase and amplitude measurement in the case of inhomogeneous surface, We believe that this new microscope scheme is very useful in diagnostics of inhomogeneous surface which is not analyaed by the contact mode surface analysis method, such as, AFM, alpha step, etc,. The spatial resolution is 0.67 μm , which is limited by diffraction. In principle, the depth resolution is 0.1 nm. but, in our current arrangement, the depth resolution is few nanometers.
more초록/요약
본 논문에서는 서로 다른 주파수로 안정화되고 서로 수직으로 편광된 헬륨네온 레이저를 이용하여 진폭과 위상을 동시에 측정할 수 있는 I/Q 헤테로다인 간섭계를 제작하였다. 이 간섭계를 거리측정, 광학물질의 이등방성 및 표면구조 측정에 활용하였다. 간섭계를 이용한 변위센서는 양자잡음 한계로 주어지는 높은 검지율 때문에 매우 높은 정밀도의 미소 변위측정에 활용되어 왔다. 본 논문에서는 서로 다른 다른 주파수로 서로 수직하게 편광된 빛살을 이용하여 소형으로 집적될 수 있는 변위센서 헤드를 구성하였으며 편광유지 광섬유를 이용하여 하이브리드형 간섭계를 구성함으로써 원격에서도 변위 측정이 가능항 소형으로 집적된 간섭식 변위센서를 구성하였다. 또한, I/Q 변조풀이 방법을 이용하여 신호빛살에 유도된 위상변화를 센서의 절대 위치에 상관없이 항상 높은 정밀도로 측정하였다. I/Q 헤테로다인 간섭계와 펌핑빔 조사(Pump-Probe) 방법을 이용하여 비정질 As2S3 박막에서 펌핑빔(Pump Beam, 532 nm)에 의해 유도되는 조사빔( Probe Beam, 632.8 nm)에 대한 비등방성을 확인하였다. 펌핑 빛을 주기적으로 chopping 시키는 경우 빛의 공간모양(spatial beam profile)의 작은 변화로 주어지는 섭동에 의해 조사빔에 대한 이색성(Dichroism)이 3-4시간 후에 역전됨을 관찰하였다. 이 결과로부터 Fritzsche의 모델과 Asatryan et al의 모델에서 가정된 비등방 미소부피요소(anisotropic micro-volume elements)가 조사빔의 편광에 따라 재정렬할 때 서로 경쟁하는 적어도 두 개의 메카니즘이 존재함을 알 수 있으며, 조사빔의 섭동에 의해 처음의 상태에서 다른 상태로 스위칭 됨을 알 수 있었다. I/Q 헤테로다인 간섭계와 대물렌즈를 이용하여, 조사빔의 위상과 진폭을 동시에 측정할 수 있는 광학 스캔 현미경을 제작하였다. 이 현미경을 이용하여 동일 매질로 만들어진 시편과, 다른 매질로 이루어진 시편의 표면분석을 하였다. 매질이 동일한 시편의 위상변화에 의해서는 시편의 구조를 알 수 있으며, 진폭변화에 의해서는 유효반사계수(ELRC, effective local reflection coefficient)의 변화를 알 수 있었다. 또한, 다른 매질로 이루어진 표면의 위상과 진폭측정결과로부터 ,표면분석에 사용하는 접촉식 방식인 알파스템( alpha step) 또는 AFM을 이용하여서는 분석이 되지 않는 서로 다른 매질로 이루어진 표면에 대해서도 매우 유용하게 사용될 수 있다는 사실을 알 수 있었다. 본 시스템의 횡분해능은 0.67μm로 회절에 의해 제한받으며, 깊이 분해능은 이론적으로 0.1 nm 정도이나 수 nm 가 되는 것을 알 수 있었다.
more목차
제 1 장. 서론 = 1
제 2 장. 간섭계의 원리 = 6
제 1 절. 호모다인 간섭계의 원리 = 7
2.1.1. 신호빛살의 진폭 측정 = 10
2.1.2. 신호빛살의 위상 측정 = 11
제 2 절. 헤테로다인 간섭계의 원리 = 13
2.2.1. 광원 구성 = 14
2.2.2. 신호처리 = 16
2.2.3. 신호처리 알고리즘 = 21
제 3 절. 헤테로다인 간섭계의 특징 = 24
제 3 장. 헤테로다인 간섭계를 이용한 변위센서 = 26
제 1 절. 서언 = 26
제 2 절. 변위센서의 종류 = 28
3.2.1. 광학식 변위센서 = 28
3.2.2. 비광학식 변위센서 = 28
제 3 절. 헤테로다인 I/Q 간섭계를 이용한 변위센서 구성 = 30
3.3.1. He-Ne 레이저의 안정화 = 30
3.3.1.1. 레이저 매질의 비균질 넓어지기 특성 = 30
3.3.1.2. He-Ne레이저의 발진 특성을 이용한 안정화 = 32
3.3.2. He-Ne 레이저의 안정화 실험결과 = 34
3.3.3. 안정화된 He-Ne 레이저를 이용한 헤테로다인 간섭계 = 38
3.3.4. 헤테로다인 I/Q 간섭계를 이용한 하이브리드형 변위센서 = 47
3.3.4.1. 편광유지 광섬유 = 47
3.3.4.2. 헤테로다인 간섭계를 이용한 하이브리드형 변위센서 구성 = 51
3.3.5. 변위센서를 이용한 측정결과 = 56
3.3.5.1. 광학계를 집적화한 소형 변위센서를 이용한 변위 측정결과 = 56
3.3.5.2. 하이브리드형 원격 변위센서를 이용한 측정결과 = 58
제 4 절. 결론 및 논의 = 62
제 4 장. 헤테로다인 간섭계를 이용한 비등방성 측정 = 63
제 1 절. 서언 = 63
제 2 절. 비정질 As2S3 박막에서의 광유도 현상 = 64
4.2.1. 비정질 반도체 개요 = 64
4.2.2. 비정질 As2S3 박막의 광암색화 및 광팽창 현상 = 66
4.2.3. 비정질 As2S3에서의 광유도 비등방성 = 67
4.2.3.1. 광유도 비등방성(Photoinduced anisotropy) 모델 = 67
4.2.3.1.1. Fritzshe 모델 = 68
4.2.3.1.2. A.P.G.V. 모델 = 68
제 3 절. 실험 및 결과 분석 = 74
4.3.1. 실험장치 및 실험방법 = 74
4.3.2. 실험결과 및 분석 = 75
제 4 절. 결론 및 논의 = 83
제 5 장. 헤테로다인 간섭계를 이용한 현미경 = 84
제 1 절. 서언 = 84
제 2 절. 헤테로다인 간섭계를 이용한 현미경 구성 = 86
5.2.1. 간섭식 현미경의 원리 = 86
5.2.2. 간섭식 현미경의 분해능 = 87
5.2.3. 공초점 광학 현미경의 모델링 = 88
5.2.3.1. 레이저 공진기 중심에서 렌즈까지의 빛살의 전파 = 92
5.2.3.2. 렌즈를 통과한 후의 빛살의 진폭 = 93
5.2.3.3. 샘플까지 전파 후 렌즈까지 돌아오는 빛살의 전파 = 93
5.2.3.4. 반사된 빛살의 렌즈를 통과한 후의 빛살의 진폭 = 95
5.2.3.5. 검지기 평면에서의 빛살의 진폭 분포 = 95
5.2.4. 헤테로다인 간섭계를 이용한 현미경 구성 = 99
5.2.5. 단일렌즈에 의한 빛살형성 = 99
제 3 절. 실험결과 및 분석 = 103
5.3.1. 광축응답 실험결과 = 103
5.3.2. 동일한 재질의 Au 패턴의 실험결과 = 105
5.3.3. 산화막이 처리된 알루미늄 패턴에 대한 실험결과 = 111
제 4 절. 결론 및 논의 = 115
제 6 장. 종합적 고찰 = 116
참고문헌 = 119
표차례
[표 1-1] 정밀가공 기술 요구조건 = 1
[표 5-1] 레이저 및 렌즈의 사양 = 101
[표 5-2] 레이저의 빛살 사이즈 계산값 = 102
그림차례
[그림 2-1] 레이저를 이용한 호모다인 간섭계 = 6
[그림 2-2] 50-50 빛살가르게를 이용한 두 빛살의 간섭 = 7
[그림 2-3] AOM을 이용한 헤테로다인 간섭계 = 13
[그림 2-4] AOFS를 사용하여 주파수가 다르고 공간적으로 = 15
[그림 2-5] 안정화된 두 편광, 두 모드 레이저를 이용하여 주파수가 = 15
[그림 2-6] 호모다인 Mixing 을 이용한 변조풀이 방법 = 17
[그림 2-7] Phase Locked Loop을 이용한 위상변조방법 = 18
[그림 2-8] I/Q 변조풀이 방법 = 19
[그림 2-9] 탄젠트(tangent) 함수 와 코탄젠트(cotangent) 함수 = 23
[그림 2-10] 아크탄젠트(arctanget) 함수 와 아크코탄젠트(arccotangent) 함수 = 23
[그림 3-1] 비균질하게 넓어지는 원자들의 평균 lineshape 함수 = 30
[그림 3-2]. 비등방성 내부 공진기를 가지는 632.8㎚ He-Ne 레이저의 이득곡선 = 32
[그림 3-3] He-Ne 레이저의 안정화 장치 = 34
[그림 3-4] mode 1 - mode 2 맥놀이 신호의 주파수 변화 = 37
[그림 3-5] 상용레이저 - mode 1 맥놀이 신호의 주파수 변화 = 37
[그림 3-6] 상용레이저 - mode2 맥놀이 신호의 주파수 변화 = 38
[그림 3-7] 두 모드로 발진하는 He-Ne 레이저를 사용한 헤테로다인 간섭계 = 39
[그림 3-8] θ의 각도로 λ/2위상지연판을 통과하는 = 40
[그림 3-9] 45°의 각도로 λ/4위상지연판을 통과하는 = 41
[그림 3-10] 편광판에 입사하는 빛살 = 44
[그림 3-11] I/Q 복조기의 원리 = 45
[그림 3-12] 일반적인 타원편광 = 50
[그림 3-13] Optics를 접합한 간섭계 = 53
[그림 3-14] 편광섬유 광섬유를 이용한 하이브리드형 변위센서 구성 = 53
[그림 3-15] PZT 이송장치의 변위 측정 결과 = 59
[그림 3-16] Step Motor 이송장치의 변위 측정 결과 = 59
[그림 3-17] Inchworm Motor 이송장치의 변위 측정결과1 = 60
[그림 3-18] Inchworm Motor 이송장치의 변위측정결과 2 = 60
[그림 3-19] 주기적인 변위를 가해 주었을때 변위신호 FFT 스펙트럼 = 61
[그림 3-20] 하이브리드형 원격 변위센서를 이용한 변위 측정 결과 = 61
[그림 4-1] 광조사후 유전율 텐서의 모양과 정렬방향 = 69
[그림 4-2] 조사 빛살의 편광에 따른 탐침빛살 세기변화와 이색성(Dichroism) 변화 = 69
[그림 4-3] 조사빛살의 편광에 따른 편극텐서의 정렬 (a)비등방 미소부피요소의 편극 텐서 모양, (b)원형편광(또는 무편광) 조사시, (c)선형편광 조사시 = 71
[그림 4-4] 조사빛살의 편광에 따른 편극텐서의 정렬 (d)비등방 미소부피요소의 편극 텐서 모양, (e)원형편광(또는 무편광) 조사시, (f)선형편광 조사시 = 72
[그림 4-5] Pump-Probe 헤테로다인 I/Q 간섭계 장치도 = 74
[그림 4-6] 조사빛살(선형편광, ∥)과 탐침빛살(선형편광,∥)일 때 굴절률과 흡수계수 변화 = 76
[그림 4-7-1] 조사빛살(선형편광, ∥)과 탐침빛살(선형편광,∥)일 때 시간대별 굴절률과 흡수계수 변화 = 77
[그림 4-7-2] 조사빛살(선형편광, ∥)과 탐침빛살(선형편광,∥)일 때 시간대별 굴절률과 흡수계수 변화 = 78
[그림 4-8] 조사빛살(선형편광, ⊥)과 탐침빛살(선형편광,∥)일 때 굴절률과 흡수계수 변화 = 79
[그림 4-9-1] 조사빛살(선형편광, ⊥)과 탐침빛살(선형편광,∥)일 때 시간대별 굴절률과 흡수계수 변화 = 80
[그림 4-9-2] 조사빛살(선형편광, ⊥)과 탐침빛살(선형편광,∥)일 때 시간대별 굴절률과 흡수계수 변화 = 81
[그림 5-1] 제안된 공초점 광학시스템 모델 = 89
[그림 5-2] 검출기에서 수신되는 빛살의 세기 변화에 대한 시뮬레이션 결과 = 98
[그림 5-3] 헤테로다인 간섭계를 이용한 현미경 구성 = 100
[그림 5-4] 렌즈를 통과한 가우시안 빛살형성 = 101
[그림 5-5] 반사경 위치를 변화 따른 광축응답 특성 실험결과 = 103
[그림 5-6] 광축응답 실험결과 및 시뮬레이션 결과 = 104
[그림 5-7] 광축응답 실험결과(I value /진폭) = 104
[그림 5-8] 동일한 재질의 Au 패턴 모양 = 106
[그림 5-9] 시편의 구조를 확대한 모습 = 106
[그림 5-10] 구리패턴을 만드는 공정 = 107
[그림 5-11] AFM을 이용해 얻은 Au 시편 실험결과(단면) = 108
[그림 5-12] 현미경 이용하여 얻은 Au 시편 실험결과(단면) = 108
[그림 5-13] 현미경을 이용하여 얻은 실험결과(위상) = 109
[그림 5-14] 현미경을 이용하여 얻은 실험결과(진폭) = 109
[그림 5-15] 현미경을 이용하여 얻은 실험결과(위상, 2차원) = 110
[그림 5-16] 현미경을 이용하여 얻은 실험결과(진폭, 2차원) = 110
[그림 5-17] Oxide가 처리된 알루미늄 패턴과 현미경 사진 = 112
[그림 5-18] Oxide가 처리된 알루미늄 패턴 만드는 과정 = 112
[그림 5-19] Oxide가 처리된 알루미늄 패턴 실험결과(위상,3차원) = 113
[그림 5-20] Oxide가 처리된 알루미늄 패턴 실험결과(진폭,3차원) = 113
[그림 5-21] Oxide가 처리된 알루미늄 패턴 실험결과(위상,2차원) = 114
[그림 5-22] Oxide가 처리된 알루미늄 패턴 실험결과(진폭,2차원) = 114
