数值孔径为0.65之角度偏向显微镜之研发-AOIEA.PDF

數值孔徑為 0.65 之角度偏向顯微鏡之研發 邱銘宏 賴進發 林逸智 國立虎尾科技大學 國立虎尾科技大學 國立虎尾科技大學 光電與材料科技研究所 光電與材料科技研究所 光電與材料科技研究所 mhchiu@.tw li_jim_fa@.tw lklkpo@.tw 摘要 本研究主要提出利用共光程外差干涉術結合了表面電漿共振(Surface plasmon resonance ；SPR)角度量 測架構且利用 NA 值為 0.65 的物鏡，可以增加其量測解析度。當穿透光束入射待測物後，因折射率及 表面高度變化，使得光束會產生收斂或是發散的極微小角度變化。當光束經由 SPR 微小角度感測器 時，會使入射角偏離了共振角，造成 SPR 感測器有明顯的相位變化，利用共光程外差干涉技術可得到 其相位的變化值。因此待測物的折射率及表面形貌變化，皆與相位變化有成正比關係，所以量測個別 相位變化時，即可描繪出待測物的表面形貌或是折射率的分佈，採用光束的兩邊緣光可減小的焦點之 光點大小，因此也突破了光學繞射之極限，改善其橫向解析度。而在縱向解析度方面可高逹奈米等級。 本顯微術的優點為具有非接觸性、非破壞性、樣品不需有導電性，也不用任何額外的處理、高解析能 力，以及可即時量測透明物體。 關鍵字: 表面電漿共振、角度偏向顯微鏡、共光程干涉儀 壹、 前言 在十七世紀以來，在光學顯微鏡一直是自然科學上的利器，但近年因科學與工業發展快速，研究領域 已超出光學顯微鏡的觀察範圍，直到二十世紀初年，電子顯微鏡開發問世之後，以其高倍率放大與優 越的解析度，更是讓顯微技術有所突破。顯微技術是人們一直以來致力開發及研究的課題，於今所追 求的已是觀看奈米等級以下的微觀世界，故奈米級顯微技術就變成一門重要的技術。在現今顯微技術 有光學顯微術、電子顯微術、掃描探針顯微術等技術，由於光學顯微術具有非侵入觀測樣本的特性， 不會破壞樣本原貌；且光學顯微術對於其他技術儀器成本與樣本之要求上都比較低廉與方便。 貳、 研究方法 角度偏向顯微鏡主要架構結合了光學系統與電路設計，以及控制程式結合而成的，光學架構分為共光 程外差干涉術與表面電漿共振感測器，電路方面為鎖相放大器，程式則是利用 Labview 撰寫。而共光 程外差干涉儀架構[1]如圖一，其原理主要是利用一個具有差頻的外差光源，當此光經過待測物後，S 與 P 偏極會分別產生不同的相位延遲變化，利用一片檢偏板(analyzer )取 S 及 P 偏極的分量干涉，可 得測試干涉信號，因此藉由鎖相放大器(Lock-in Amplifier )比較測試信號(test signal )與參考信號 (reference signal )之間相位差，此相位差為待測物之物理參數的函數，所得相位差值再由電腦紀錄， 並做數值分析與轉換，以求出待測物之物理量。 所謂表面電漿波[2]是一入射光藉由光學耦合架構，耦合入射光至金屬表面，激發金屬與介質間的自由 電子，產生同調性振盪。常用的入射光源耦合方法有三種，分別為稜鏡耦合式(prism coupler )[3] 、光 柵耦合式(grating coupler )[4] 、光纖耦合式(fiber coupler )[5] ，在本論文所採用的SPR 主要以稜鏡耦合 方式為研究的架構。根據稜鏡與金屬薄膜位置的不同來區分成 Otto 及 Kretschmann (Kr )組態，因 Kr 組態減少了外部空氣擾動的影響，感測器架構簡單，以及對光較為容易等優點，所以我們選用 Kr 組 態架構[6]如圖二。 本論文角度偏向顯微鏡架構如圖三，外差光源(Heterodyne Light Source )為Zeeman Laser ，其頻差約為