Раздел 10: Несоответствие показателя преломления для анализа по глубине

При анализе по глубине лазер будет фокусироваться внутри образца, но сама фокусировка лазера ухудшается из-за разницы в показателе преломления. При реальном измерении необходимо выбрать подходящую объективную линзу с учетом влияния разницы в показателе преломления.

Влияние показателя преломления фокусировку лазера

В предыдущем разделе рассмотрено пространственное разрешение предназначено для идеальной измерительной системы, но при фактическом анализе по глубине лазер облучает внутри образца. В это время наблюдается несоответствие показателя преломления между объективной линзой и образцом (воздухом) и на границе раздела образца лазерный луч преломляется, а его фокус ухудшается (рис. 1). Из-за влияния несоответствия показателя преломления во время измерения пространственное разрешение и объем измеряемого сигнала ухудшаются.

На рисунке показано распределение интенсивности лазерного фокуса, сфокусированного внутри образца. Длина волны лазера λ = 532 нм, NA = 0,9 (эквивалентно 100-кратной линзе объектива) и показатель преломления образца n = 1,52. Расстояние z, на которое столик образца перемещается из состояния фокусировки на поверхность образца, называется NFP (номинальное положение фокуса), а фактическое положение, в котором фокус перемещается из NFP из-за преломления, называется AFP (фактическое положение фокуса). Видно, что фокус лазерного излучения значительно ухудшился, когда NFP = 10um.

Рис. 2. Ухудшение фокусировки лазера внутри образца.

Для более детального рассмотрения график ниже показывает интенсивность фокуса в образце в направлении z. Три графика - это результаты при фокусировке с разными объективами с NA = 0.9, 0.8 и 0.45, соответственно. Можно видеть, что чем меньше NA, тем меньше потерь при фокусировке по глубине образца.

Рис. 3. Измерение лазерной фокусировки по глубине образца в зависимости от N.A. Калибровка по глубине в зависимости от показателя преломления

При измерении внутри образца расстояние z, перемещаемое столиком образца (NFP), отличается от расстояния, перемещаемого фокусом лазера в образце (AFP) из-за разницы в показателе преломления. Ось глубины данных, таких как профиль, должна быть откалибрована от расстояния, на которое столик образца перемещается на расстояние, на которое лазерный фокус фактически перемещается в образце.

Предполагая, что лучи вне фокального луча вносят большой вклад в фокальную точку, и если NA мала,

где n₁ - показатель преломления воздуха, n2 - показатель преломления образца.
Ниже приведен график, показывающий зависимость AFP от NFP при NA = 0,9, 0,8, 0,45.

Рис. 4. Соотношение между расстоянием, перемещаемым столиком образца z (NFP), и расстоянием, перемещаемым фокусом лазера в образце (AFP). Выбор правильного объектива

Чтобы избежать влияния разницы показателей преломления нужно выбрать оптимальный объектив. К объективам-кандидатам относятся иммерсионные объективы, объективы с водяным погружением и объективы со корректирующими кольцами.

В случае масляной иммерсионной линзы, объектив предназначен для правильной фокусировки, когда образец и линза объектива заполнены маслом с показателем преломления 1,52 (чтобы устранить разницу в показателе преломления у стекла с показателем преломления 1,52). Даже если он не полностью соответствует показателю преломления полимера или другого образца, разница в показателе преломления может быть уменьшена для уменьшения ухудшения фокусировки лазера. В случае водной иммерсионной линзы объектива она заполнена водой с показателем преломления 1,33, поэтому она может быть подходящей для сопоставления показателя преломления с образцом с относительно низким показателем преломления. Объектив с корректирующим кольцом можно регулировать в зависимости от толщины стекла с показателем преломления 1,52. При наблюдении глубокой части образца, если вы корректируете глубину образца (показатель преломления Х) с помощью этого корректирующего кольца, лазерный фокус может быть хорошо сформирован, и вы получите хорошие результаты анализа по глубине.