Vývoj metod měření prostorového rozložení indexu lomu pomocí on-chip tomografie

Ing. Marek Mach

Doctoral thesis

Abstract:

V disertační práci byl představen výzkum v oblasti metod měření prostorového rozlišení indexu lomu transparentních materiálů. V práci byl popsán vývoj a optimalizace metody digitální holografické tomografie v Mach-Zehnderově uspořádání s mikroskopovými objektivy (MZDHT). Dále byl popsán vývoj kompaktního lensless digitálního holografického interferometru ve Fizeauově uspořádnání (FDHI). Hlavním výstupem práce je poté metoda on-chip tomografie využívající principů digitální holografické interferometrie v Mach-Zenderově uspořádání (MZDHT-on-chip), která synergicky kombinuje přístupy digitální holografické interferometrie, on-chip mikroskopie a výpočetní tomografie. Metody MZDHT a MZDHT-on-chip byly ověřeny měřením vzorku feroelektrického monokrystalu periodicky polovaného niobičnanu lithného (PPLN) ve 3D. Metodou MZDHT byla dále měřen vzorek niobičnanu lithného s implantovanými doménami tvaru šestibokého hranolu ve 2D. Metoda FDHI byla ověřena měřením PPLN ve 2D. Cílem vývoje nových metod měření je zlepšení dosažitelných parametrů měření: laterální rozlišení, zorné pole, resp. měřený objem, doba měření, speciální podmínky pro měřený objekt, aj. Ve vzorku PPLN byla měřením prostorového rozložení změny indexu lomu vizualizována doménová struktura. Pro možnost realizace měřicího uspořádání MZDHT-on-chip byl vyvinut klíčový element optického uspořádání - optický vlnovod, sloužící jako referenční rameno Mach-Zehnderova interferometru. Tím bylo dosaženo minimalizace vzdálenosti měřeného vzorku od senzoru kamery, který umožnil dosažení porovnatelného laterálního rozlišení s komerčním a s ověřeným systémem MZDHT. Nezanedbatelnou výhodou měřicího uspořádání je jeho kompaktnost. Samotné měřicí uspořádání je konstruováno pouze z několika komponent: zdroj koherentního světla, dva kolimátory svazku, optický vlnovod, kamera a vzorek umístěný na rotačním unašeči. Uspořádání MZDHT-on-chip by tedy tedy mohlo sloužit jako vzor pro vývoj kompaktních, přenosných měřicích přístrojů s nízkou cenou.

Abstract:

The dissertation presented research in the field of methods for measuring the spatial resolution of the refractive index of transparent materials. The development and optimization of a method for digital holographic tomography in a Mach-Zehnder microscope lens tomography (MZDHT) arrangement was described. Furthermore,the development of a compact lensless digital holographic interferometer in a Fizeau arrangement (FDHI) was described. The main output of the work is then an on-chip tomography method using the principles of digital holographic interferometry in a Mach-Zender arrangement (MZDHT-on-chip), which synergistically combines the approaches of digital holographic interferometry, on-chip microscopy and computed tomography. The MZDHT and MZDHT-on-chip methods have been validated by measuring a periodically poled lithium niobate (PPLN) ferroelectric single crystal sample in 3D. The MZDHT method was further used to measure a sample of lithium niobate with implanted hexagonal prism-shaped domains in 2D. The FDHI method was verified by measuring PPLN in 2D. The aim of the development of new measurement methods is to improve the achievable measurement parameters: lateral resolution, field of view or measured volume, measurement time, special conditions for the measured object, etc. In the PPLN sample, the domain structure was visualized by measuring the spatial distribution of the refractive index change. To enable the realization of the MZDHT-on-chip measurement setup, a key element of the optical setup, the optical waveguide, was developed to serve as the reference arm of the Mach-Zehnder interferometer. This minimizedmthe distance of the measured sample from the camera sensor, which allowed to achieve comparable lateral resolution with a commercial and proven MZDHT system. A notable advantage of the measurement arrangement is its compactness. The measurement setup itself is constructed from only a few components: a coherent light source, two beam collimators, an optical waveguide, a camera and a sample mounted on a rotating coupler. Therefore, the MZDHT-on-chip arrangement could serve as a model for the development of compact, portable, low-cost measuring instruments.

Keywords

Digitální holografická interferometrie, výpočetní tomografie, mikroskopie na čipu (on-chip), transparentní objekty, feroelektrické monokrystaly, elektro-optický efekt

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 7. 2023

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Pavel Mokrý, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Applied Sciences in Engineering / Applied Sciences in Engineering