Pokročilé interferometrické metody pro souřadnicové odměřování
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Disertační práce tematicky spadá do oborů Metrologie délky a Nanometrologie. Nanometrologie se zabývá dimenzionálním měřením mikro a nanostruktur s vysokým prostorovým rozlišením, typicky v řádu nanometrů. Rozvoj tohoto oboru souvisí s rozvojem nanotechnologií, kde se uplatňují měřicí metody kombinující zobrazování pomocí mikroskopických technik s odměřováním s rozlišením a přesností na nanometrové úrovni. K měření rozměrů nanostruktur se zde využívá laserová interferometrie, která je v současné době nejpřesnější měřicí technikou dimenzionálních veličin. Požadavky měření na nanometrové úrovni vedou ke snahám posouvat limity interferometrického rozlišení a přesnosti. Interferometrické odměřování je v přesnosti měření limitováno především vlivem indexu lomu vzduchu. V první části práce je uveden teoretický rozbor jednotlivých části laserového interferometru. Druhá část práce je věnována problematice vlivu indexu lomu vzduchu na interferometrické odměřování a výslednou nejistotu měření. Experimentálně ověřuji koncept kompenzace vlivu indexu lomu vzduchu pomocí stabilizace vlnové délky laserového zdroje na mechanickou referenci. V prvním případě se jedná o interferometr se stojatou vlnou vybuzenou v pasivním rezonátoru s odměřováním polohy pomocí unikátního transparentního fotodetektoru, který je schopen detekovat interferenční maxima a minima podél osy svazku v rezonátoru. Dále demonstruji experimentální měřicí sestavu, jejíž předností je sloučení interferometru a refraktometru do jednoho systému. Toto uspořádání eliminuje zdroje chyb způsobené růzností poloh svazku měřicího index lomu (refraktometr) a svazku měřicího vzdálenost (interferometr). Experimentální sestava je využita ke studiu chování proudění vzduchu (okolního prostředí) v závislosti na změně délky měřicích ramen interferometrů. Toto studium je prováděno s důrazem na potenciální aplikace v souřadnicových měřicích systémech v metrologii délky. Stabilizace vlnové délky na mechanickou referenci představuje snížení příspěvku vlivu indexu lomu vzduchu do celkové nejistoty měření o jeden až dva řády. Na základě získaných výsledků navrhuji nová uspořádání interferometrů pro odměřování polohy, kombinující délkovou interferometrii a tracking refraktometr pro on-line kompenzaci fluktuací indexu lomu vzduchu s blízkými svazky. Ve třetí části práce popisuji realizaci interferometrických systémů pro konkrétní aplikace. Pro průmyslové prostředí je určen koncept interferometrické délkové sondy, která umožňuje nanometrové odměřování pomocí zjednodušené konstrukce interferometru. Pro souřadnicové odměřování polohy vzorku až v šesti stupních volnosti jsem realizovala kompaktní modulární interferometrický systém, který je unikátní optickou částí a stabilizovaným laserovým zdrojem. Pro odměřování polohy vzorku v komoře elektronového litografu jsem navrhla a realizovala diferenční interferometr, který pracuje v blízké infračervené oblasti a využívá novou detekční metodu, která byla vyvinuta pro tento systém. Ve čtvrté části uvádím realizaci vysokorychlostního interferometru v diferenčním uspořádání, který umožňuje vyhodnocení vysokocyklové únavy v materiálovém inženýrství. Tento způsob studia vysokocyklové únavy by měl být přínosem jak pro základní výzkum, tak i inženýrskou praxi.
This thesis addresses particular topics in the field of the length metrology for nanometrology. Nanometrology deals with dimensional measurements of micro- and nanostructures with a high spatial resolution. It typically combines a microscope imaging with a precise coordinate measurement, usually capable of nanometre resolution using the state-of-art laser interferometry techniques. The development in this field is driven, among others, by emerging advanced nanotechnologies that demand to push further the capabilities and limits of the interferometric techniques to make the nanometre-level dimensional measurement of nanostructures possible. The principal limitations of current systems are the environmental conditions and especially the fluctuations in the refractive index of air. The theoretical part of this thesis aim at analysis of individual parts of laser interferometer. I oriented myself on the study of their advantages/disadvantages and further also the possibilities of their industrial applications. The second part of the thesis presents my work that focused on the influence of the refractive index of air (RIA) on the measurement uncertainty. I experimentally demonstrated an interferometric system with a self-cancellation RIA fluctuations: a transparent photodetector is used for the measurement of the standing wave along the axis of a passive resonator, where the resonator also serves as a reference for the laser wavelength stabilisation. Another optical arrangement, based on a setup of several Michelson interferometers, represents a combination of an interferometer and a refractometer into a single system. This setup was used to study the behaviour of the ambient airflow with respect to the optical path difference and physical separation of the interferometer’s and refractometer’s path. Based on the experimental results I proposed new arrangements for shape measuring interferometers, which combine length interferometry and a tracking refractometer for the direct compensation of RIA fluctuations with geometrically adjacent optical beams. The results indicate an improvement in RIA fluctuation induced uncertainty by a factor of 100. Third part describes the design and implementation of interferometric systems for specific applications. For the industrial environment I developed a compact interferometric displacement gauge which is designed to allow nanometre level measurement using a simplified interferometer construction. For coordinate measurement of the position of the sample up to six degrees of freedom, I realised a compact modular interferometric system, which represents a unique setup together with a stabilised laser source. To measure the position of the sample in an electron beam writer chamber, I designed and implemented a differential interferometer that works in the near infrared domain and uses a new detection method developed for this system. In the fourth part I describe the realisation of a high-speed interferometer with a differential arrangement, which allows evaluation of high-cycle fatigue in material engineering. This method of studying high-cycle fatigue should be beneficial for both the basic research and the engineering practice.
This thesis addresses particular topics in the field of the length metrology for nanometrology. Nanometrology deals with dimensional measurements of micro- and nanostructures with a high spatial resolution. It typically combines a microscope imaging with a precise coordinate measurement, usually capable of nanometre resolution using the state-of-art laser interferometry techniques. The development in this field is driven, among others, by emerging advanced nanotechnologies that demand to push further the capabilities and limits of the interferometric techniques to make the nanometre-level dimensional measurement of nanostructures possible. The principal limitations of current systems are the environmental conditions and especially the fluctuations in the refractive index of air. The theoretical part of this thesis aim at analysis of individual parts of laser interferometer. I oriented myself on the study of their advantages/disadvantages and further also the possibilities of their industrial applications. The second part of the thesis presents my work that focused on the influence of the refractive index of air (RIA) on the measurement uncertainty. I experimentally demonstrated an interferometric system with a self-cancellation RIA fluctuations: a transparent photodetector is used for the measurement of the standing wave along the axis of a passive resonator, where the resonator also serves as a reference for the laser wavelength stabilisation. Another optical arrangement, based on a setup of several Michelson interferometers, represents a combination of an interferometer and a refractometer into a single system. This setup was used to study the behaviour of the ambient airflow with respect to the optical path difference and physical separation of the interferometer’s and refractometer’s path. Based on the experimental results I proposed new arrangements for shape measuring interferometers, which combine length interferometry and a tracking refractometer for the direct compensation of RIA fluctuations with geometrically adjacent optical beams. The results indicate an improvement in RIA fluctuation induced uncertainty by a factor of 100. Third part describes the design and implementation of interferometric systems for specific applications. For the industrial environment I developed a compact interferometric displacement gauge which is designed to allow nanometre level measurement using a simplified interferometer construction. For coordinate measurement of the position of the sample up to six degrees of freedom, I realised a compact modular interferometric system, which represents a unique setup together with a stabilised laser source. To measure the position of the sample in an electron beam writer chamber, I designed and implemented a differential interferometer that works in the near infrared domain and uses a new detection method developed for this system. In the fourth part I describe the realisation of a high-speed interferometer with a differential arrangement, which allows evaluation of high-cycle fatigue in material engineering. This method of studying high-cycle fatigue should be beneficial for both the basic research and the engineering practice.
Description
Citation
HOLÁ, M. Pokročilé interferometrické metody pro souřadnicové odměřování [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2018.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (předseda)
Mgr. Petr Klapetek, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Libor Mrňa, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Tomáš Tyc, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2018-01-30
Defence
DDP zpracovává velmi náročné téma a přináší několik významných výsledků, které byly publikovány v renomovaných časopisech.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení