근접장 주사 광학 현미경과 위상천이 간섭계를 이용한 선형 및 비선형 파면측정에 대한 연구 Investigation of linear and nonlinear wavefront measurement using near-field scanning optical microscope and phase-shifting interferometer원문보기
유장훈
(Graduate School, Yonsei University
Institute of Physics and Applied Physics
국내박사)
최근 물질의 구조와 특성을 원자에서 분자 정도의 크기에 이르는 미시적인 수준에서 직접 관찰하고 조절하고자 하는 나노 기술에 관한 학문적 또는 산업적인 연구가 큰 주목을 받고 있다. 특히, 근접장 주사 광학 현미경기술은 미세 구조를 영상화함과 동시에 상세한 분광학적인 정보를 제공할 수 있다는 점에서 21세기 나노기술 분야의 핵심기술 중의 하나로서 자리잡고 있다. 본 논문은 기존 광학계가 갖고 있는 ...
최근 물질의 구조와 특성을 원자에서 분자 정도의 크기에 이르는 미시적인 수준에서 직접 관찰하고 조절하고자 하는 나노 기술에 관한 학문적 또는 산업적인 연구가 큰 주목을 받고 있다. 특히, 근접장 주사 광학 현미경기술은 미세 구조를 영상화함과 동시에 상세한 분광학적인 정보를 제공할 수 있다는 점에서 21세기 나노기술 분야의 핵심기술 중의 하나로서 자리잡고 있다. 본 논문은 기존 광학계가 갖고 있는 회절 한계 이상의 고밀도를 제공하는 미래형 광학 정보 저장시스템 개발에 요구되는 파면측정 및 분석방법, 비선형 매질에서 일어나는 집광특성 및 새로운 근접장 주사 광학 간섭계의 개발에 대한 연구내용을 담고 있다. 첫째, 광학 정보 저장용 기록헤드의 광학적인 특성을 용이하게 평가할 수 있도록 기준파면이 필요 없는 위상천이 층밀리기 간섭계(Lateral Shearing Interferometer)를 구성하여 외부진동에 민감하지 않으며, 파면수차(rms wavefront irreqularity) 측정값에 대하여 이하의 분해능을 달성하였다. 또한, DVD 광기록기기의 핵심 부품인 DVDCD 호환용 환형렌즈의 평가를 위하여 2개의 서로 다른 파장을 사용하는 실파장 간섭계를 구성하였다. 환형렌즈는 설계에서 사출에 이르기까지 세심한 관찰이 요구되기 때문에 렌즈개발 과정에서 필요한 파장별, 렌즈경사에 따른 파면분석 및 평가방법을 제안하였다. 둘째, 실험적으로 비선형 박막에서 자체집광 현상에 의해 회절한계 이하의 크기를 가지는 근접장 광분포가 형성될 수 있음이 확인되었고 비선형 박막에서 일어나는 자체집광 현상과 filamentation 현상이 이론적으로 보고 되었다. 본 논문에서는 self-focusing 매질(As2S3, TeO2)에서 일어나는 transverse instability로 인한 대칭성 깨짐 현상을 관측하고 Near-Field로 부터 전파된 후 Far-Field에서도 유지되는 왕관(Crown) 형상의 특이한 filamentation을 관찰하였다. 셋째, 이러한 비선형 시료의 분석을 위하여 근접장 주사 광학 간섭계를 구성하고 shear-force 감도를 높이기 위하여 tuning fork의 공진 특성을 비대칭적으로 개량하고 Blue-ray 디스크의 표면형상을 복원하였다. 이때 수평수직 방향으로 70 0.6 의 이하의 분해능을 확인 할 수 있었다. 넷째, 수십 크기의 광섬유 탐침의 끝 단에서 반사하는 광을 이용하는 근접장 주사 광간섭계를 제안하고, 집광 초점면에서의 파면을 분석하였다. 파면의 분석은 광섬유 탐침의 끝 단에서 반사된 빛과 시료표면에서 반사된 빛을 간섭 시키고, 탐침의 끝 단을 l4 씩 위상천이 시키면서 4장의 간섭무늬를 얻은 후, 위상천이 알고리즘을 통하여 광학 수차를 구하는 방법을 이용 하였다. 또한 본 논문에서 제안한 근접장 주사 광간섭계에 광검출기를 두고 시료의 광학적인 위상과 흡수특성을 동시에 검출할 수 있도록 하였다. 광저장기기용 polycarbonate 기판에 원자힘 현미경(AFM)의 탐침을 이용하여 인위적인 상처를 만든후 광검출 신호로부터 시료가 가지고 있는 내부구조의 복잡한 위상정보를 얻었고, 표면형상의 3차원 topography도 함께 얻을 수 있었다. 이상의 연구는 고분해능을 요구하는 미세한 표면의 관측, 다양한 광응용 제품에 적용되는 핵심 광소자의 파면 및 광위상 평가기술, 비선형 물질을 사용하는 광정보저장용 매체 등에 활용될 수 있으며, 분자 및 생체공학 연구 등 정보저장기술 및 생명기술 분야에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 생각한다. 특히 기존의 근접장 주사 광학 현미경에서는 관측하기 어려운 시료의 내부적인 구조의 변화를 규명하는데 유용한 도구의 하나로 사용되기를 기대한다.
최근 물질의 구조와 특성을 원자에서 분자 정도의 크기에 이르는 미시적인 수준에서 직접 관찰하고 조절하고자 하는 나노 기술에 관한 학문적 또는 산업적인 연구가 큰 주목을 받고 있다. 특히, 근접장 주사 광학 현미경기술은 미세 구조를 영상화함과 동시에 상세한 분광학적인 정보를 제공할 수 있다는 점에서 21세기 나노기술 분야의 핵심기술 중의 하나로서 자리잡고 있다. 본 논문은 기존 광학계가 갖고 있는 회절 한계 이상의 고밀도를 제공하는 미래형 광학 정보 저장시스템 개발에 요구되는 파면측정 및 분석방법, 비선형 매질에서 일어나는 집광특성 및 새로운 근접장 주사 광학 간섭계의 개발에 대한 연구내용을 담고 있다. 첫째, 광학 정보 저장용 기록헤드의 광학적인 특성을 용이하게 평가할 수 있도록 기준파면이 필요 없는 위상천이 층밀리기 간섭계(Lateral Shearing Interferometer)를 구성하여 외부진동에 민감하지 않으며, 파면수차(rms wavefront irreqularity) 측정값에 대하여 이하의 분해능을 달성하였다. 또한, DVD 광기록기기의 핵심 부품인 DVDCD 호환용 환형렌즈의 평가를 위하여 2개의 서로 다른 파장을 사용하는 실파장 간섭계를 구성하였다. 환형렌즈는 설계에서 사출에 이르기까지 세심한 관찰이 요구되기 때문에 렌즈개발 과정에서 필요한 파장별, 렌즈경사에 따른 파면분석 및 평가방법을 제안하였다. 둘째, 실험적으로 비선형 박막에서 자체집광 현상에 의해 회절한계 이하의 크기를 가지는 근접장 광분포가 형성될 수 있음이 확인되었고 비선형 박막에서 일어나는 자체집광 현상과 filamentation 현상이 이론적으로 보고 되었다. 본 논문에서는 self-focusing 매질(As2S3, TeO2)에서 일어나는 transverse instability로 인한 대칭성 깨짐 현상을 관측하고 Near-Field로 부터 전파된 후 Far-Field에서도 유지되는 왕관(Crown) 형상의 특이한 filamentation을 관찰하였다. 셋째, 이러한 비선형 시료의 분석을 위하여 근접장 주사 광학 간섭계를 구성하고 shear-force 감도를 높이기 위하여 tuning fork의 공진 특성을 비대칭적으로 개량하고 Blue-ray 디스크의 표면형상을 복원하였다. 이때 수평수직 방향으로 70 0.6 의 이하의 분해능을 확인 할 수 있었다. 넷째, 수십 크기의 광섬유 탐침의 끝 단에서 반사하는 광을 이용하는 근접장 주사 광간섭계를 제안하고, 집광 초점면에서의 파면을 분석하였다. 파면의 분석은 광섬유 탐침의 끝 단에서 반사된 빛과 시료표면에서 반사된 빛을 간섭 시키고, 탐침의 끝 단을 l4 씩 위상천이 시키면서 4장의 간섭무늬를 얻은 후, 위상천이 알고리즘을 통하여 광학 수차를 구하는 방법을 이용 하였다. 또한 본 논문에서 제안한 근접장 주사 광간섭계에 광검출기를 두고 시료의 광학적인 위상과 흡수특성을 동시에 검출할 수 있도록 하였다. 광저장기기용 polycarbonate 기판에 원자힘 현미경(AFM)의 탐침을 이용하여 인위적인 상처를 만든후 광검출 신호로부터 시료가 가지고 있는 내부구조의 복잡한 위상정보를 얻었고, 표면형상의 3차원 topography도 함께 얻을 수 있었다. 이상의 연구는 고분해능을 요구하는 미세한 표면의 관측, 다양한 광응용 제품에 적용되는 핵심 광소자의 파면 및 광위상 평가기술, 비선형 물질을 사용하는 광정보저장용 매체 등에 활용될 수 있으며, 분자 및 생체공학 연구 등 정보저장기술 및 생명기술 분야에 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 생각한다. 특히 기존의 근접장 주사 광학 현미경에서는 관측하기 어려운 시료의 내부적인 구조의 변화를 규명하는데 유용한 도구의 하나로 사용되기를 기대한다.
The growing field of modern optical technologies including near-field recording with large numerical apertures requires special tools capable of probing optical wavefront in high resolution. Modern optical systems also require precise wavefront sensing and analysis techniques for the next generation...
The growing field of modern optical technologies including near-field recording with large numerical apertures requires special tools capable of probing optical wavefront in high resolution. Modern optical systems also require precise wavefront sensing and analysis techniques for the next generation of optical devices in linear and nonlinear applications. On the other hand, ongoing advances in the fabrication and characterization of micro-structural optical components have allowed researchers to propose and improve various instruments over the decades in order to get the precise wavefront information. Near-field scanning optical microscope(NSOM) has been also among the most important tools for measuring wavefront, as the progress in nano-scale science has promoted increasing interest in ultra-resolution optical instruments, allowing for the measurement and control of material structures and their characteristics in molecular scale.In this thesis, we investigate several new schemes of phase-shifting interferometer including NSOM, which strongly enhance the wavefront measurement capability for high density optical data storage in diffraction limits. To overcome the diffraction limit of far-field optics and obtain near-field optical phase contrast which is hard to be achieved by a conventional NSOM, we propose a new scheme for optical phase imaging using near-field scanning optical interferometer(NSOI). We also observe the nonlinear effects in self-focusing mediums such as crown-like filamentation demonstrating a symmetry-breaking instability and photo-induced structural changes as giant photo-expansioncontraction which is seven times as large as previous research. These phenomenon will be promising to produce microscopic relief components such as microscopic lenses.At first, a compact phase-shifting lateral shearing interferometer for the optical data storage head is proposed to obtain shearing fringes in two orthogonal directions without any mechanical rotation. The interferometer is robust and convenient for precise alignment, resulting in high resolution( rms). Our proposed technique consists of two pairs of wedge plates for phase-shifting and a single beam splitter. We evaluate the characteristics of the optical storage head and the objective lens where we introduce artificial aberrations by a plane parallel plate that is traversed with a converging beam and tilted in order to test the dynamic characteristics of the optical disc system. The sensitivity of the disc tilt with respect to the optical axis increases linearly with the disc thickness. Since a disc tilt introduces comatic aberration in the readout spot, newly developed storage heads of a higher numerical aperture, such as digital versatile disc(DVD) and blue-ray disc(BD), adopt thinner substrates than compact disc recordable(CDR). It is thus required one of special inspection systems for testing the compatibility between DVD(or BD) and CDR. We designed and built an inspection system for the objective lens which is compatible for both DVD and CDR using dual wavelengths at different thickness of each substrate. The inspection system is essential for developing core elements, such as aspherical precision lenses of optical data storage system. This kind of optical testing is nevertheless diffraction limited.Beyond the extent of diffraction limits we propose a new scheme for measuring optical phase contrast of nano-materials and their wavefront deformation using a nano-scopic facet and digital interferograms in addition to the improvement of the shear-force detection sensitivity of NSOI. There are a number of important possible applications of our NSOI, including imaging of nano-scopic molecules for optical mapping, spectroscopy of quantum well devices, surface-enhanced Raman scattering, as well as the constructing of an optical wavefront. The use of nano-facet in our NSOI provides a golden opportunity analyzing the internal complexity of organic-materials in biology and polymer structures in chemistry.Finally, we investigate the self-focusing phenomenon in Kerr-nonlinear films and observe that the beam can be decreased below the diffraction-limit based on the self-focusing effect in the near-field of the nonlinear Kerr films. We also found many-fold symmetric filamentation phenomenon of the focusing spot through nonlinear materials which indicate a transverse instabilities breaking the azimuthal symmetry.
The growing field of modern optical technologies including near-field recording with large numerical apertures requires special tools capable of probing optical wavefront in high resolution. Modern optical systems also require precise wavefront sensing and analysis techniques for the next generation of optical devices in linear and nonlinear applications. On the other hand, ongoing advances in the fabrication and characterization of micro-structural optical components have allowed researchers to propose and improve various instruments over the decades in order to get the precise wavefront information. Near-field scanning optical microscope(NSOM) has been also among the most important tools for measuring wavefront, as the progress in nano-scale science has promoted increasing interest in ultra-resolution optical instruments, allowing for the measurement and control of material structures and their characteristics in molecular scale.In this thesis, we investigate several new schemes of phase-shifting interferometer including NSOM, which strongly enhance the wavefront measurement capability for high density optical data storage in diffraction limits. To overcome the diffraction limit of far-field optics and obtain near-field optical phase contrast which is hard to be achieved by a conventional NSOM, we propose a new scheme for optical phase imaging using near-field scanning optical interferometer(NSOI). We also observe the nonlinear effects in self-focusing mediums such as crown-like filamentation demonstrating a symmetry-breaking instability and photo-induced structural changes as giant photo-expansioncontraction which is seven times as large as previous research. These phenomenon will be promising to produce microscopic relief components such as microscopic lenses.At first, a compact phase-shifting lateral shearing interferometer for the optical data storage head is proposed to obtain shearing fringes in two orthogonal directions without any mechanical rotation. The interferometer is robust and convenient for precise alignment, resulting in high resolution( rms). Our proposed technique consists of two pairs of wedge plates for phase-shifting and a single beam splitter. We evaluate the characteristics of the optical storage head and the objective lens where we introduce artificial aberrations by a plane parallel plate that is traversed with a converging beam and tilted in order to test the dynamic characteristics of the optical disc system. The sensitivity of the disc tilt with respect to the optical axis increases linearly with the disc thickness. Since a disc tilt introduces comatic aberration in the readout spot, newly developed storage heads of a higher numerical aperture, such as digital versatile disc(DVD) and blue-ray disc(BD), adopt thinner substrates than compact disc recordable(CDR). It is thus required one of special inspection systems for testing the compatibility between DVD(or BD) and CDR. We designed and built an inspection system for the objective lens which is compatible for both DVD and CDR using dual wavelengths at different thickness of each substrate. The inspection system is essential for developing core elements, such as aspherical precision lenses of optical data storage system. This kind of optical testing is nevertheless diffraction limited.Beyond the extent of diffraction limits we propose a new scheme for measuring optical phase contrast of nano-materials and their wavefront deformation using a nano-scopic facet and digital interferograms in addition to the improvement of the shear-force detection sensitivity of NSOI. There are a number of important possible applications of our NSOI, including imaging of nano-scopic molecules for optical mapping, spectroscopy of quantum well devices, surface-enhanced Raman scattering, as well as the constructing of an optical wavefront. The use of nano-facet in our NSOI provides a golden opportunity analyzing the internal complexity of organic-materials in biology and polymer structures in chemistry.Finally, we investigate the self-focusing phenomenon in Kerr-nonlinear films and observe that the beam can be decreased below the diffraction-limit based on the self-focusing effect in the near-field of the nonlinear Kerr films. We also found many-fold symmetric filamentation phenomenon of the focusing spot through nonlinear materials which indicate a transverse instabilities breaking the azimuthal symmetry.
주제어
#근접장 주사 광학 현미경 간섭계 광학 위상 측정 비선형 물질 파면 분석 수차 필라멘데이션 interferometry optical data storage wavefront analysis phase-shifting interferometer optical phase contrast near-field scanning optical microscopy photo-induced structural change nonlinear materials self-focusing self-trapping instability filamentation
학위논문 정보
저자
유장훈
학위수여기관
Graduate School, Yonsei University
학위구분
국내박사
학과
Institute of Physics and Applied Physics
지도교수
Seung-Han Park
발행연도
2004
총페이지
xi, 139 p.
키워드
근접장 주사 광학 현미경 간섭계 광학 위상 측정 비선형 물질 파면 분석 수차 필라멘데이션 interferometry optical data storage wavefront analysis phase-shifting interferometer optical phase contrast near-field scanning optical microscopy photo-induced structural change nonlinear materials self-focusing self-trapping instability filamentation
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