نگاهی متفاوت به دنیای نانو؛ لرزشی که دید میکروسکوپی ما را تغییر داد
از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این روش که «تداخلسنجی القاشده با اختلال» نام دارد، میتواند بدون نیاز به سامانههای پیچیده جداسازی لرزش و تجهیزات اختصاصی تغییر فاز، اندازهگیریهای نوری بسیار دقیق را حتی در محیطهای دارای ارتعاش امکانپذیر کند
به گزارش سیناپرس، اندازهگیری دقیق شکل و ناهمواری سطح در بسیاری از حوزههای علمی و صنعتی اهمیت دارد؛ از ساخت قطعات دقیق اپتیکی گرفته تا تولید تجهیزات پیشرفته و کنترل کیفیت صنعتی. یکی از روشهای شناختهشده برای انجام چنین اندازهگیریهایی، تداخلسنجی تغییر فاز (Phase-Shifting Interferometry; PSI) است. این روش به دلیل دقت بالای خود یکی از روشهای مرجع در اندازهشناسی سطح بهشمار میرود، اما یک نقطهضعف مهم دارد: برای دستیابی به نتایج دقیق، محیط اندازهگیری باید تا حد زیادی از لرزش و اختلالات مکانیکی مصون باشد.
در شرایط آزمایشگاهی کنترلشده، میتوان با استفاده از سامانههای جداسازی لرزش این مشکل را کاهش داد؛ اما در محیطهای واقعی، بهویژه هنگام اندازهگیری قطعات اپتیکی بزرگ، حذف کامل ارتعاشات بسیار دشوار است. لرزش سازه، تغییر شکل پایه نگهدارنده و جابهجاییهای بسیار کوچک میتوانند مسیر نوری را تغییر دهند و دقت اندازهگیری را تحت تأثیر قرار دهند.
گروهی از پژوهشگران به سرپرستی جیامیائو یانگ (Jiamiao Yang) اکنون رویکردی متفاوت را پیشنهاد کردهاند. آنها بهجای تلاش برای سرکوب این اختلالات، تصمیم گرفتهاند از آنها بهعنوان بخشی از فرایند اندازهگیری استفاده کنند. نتیجه این رویکرد، روش تداخلسنجی القاشده با اختلال (Disturbance-Introduced Interferometry; DII) است که نتایج آن در نشریه Light: Advanced Manufacturing منتشر شده است.
در روش DII، ارتعاشات تصادفی سازه، تغییر شکل انعطافپذیر تکیهگاه و جابهجاییهای مکانیکی بسیار کوچک بهعنوان منابع طبیعی تغییر فاز به کار گرفته میشوند. این اختلالات بهصورت تصادفی اختلاف مسیر نوری را تغییر میدهند و اطلاعات مربوط به فاز سطح را بهطور طبیعی در مجموعهای از تصاویر تداخلسنجی ثبت میکنند.
به بیان ساده، در روشهای معمول، پژوهشگر باید تغییر فاز را با دقت کنترل کند تا تصاویر موردنیاز برای بازسازی سطح بهدست آید؛ اما در روش جدید، خود محیط این تغییرات را ایجاد میکند. بنابراین، چیزی که در گذشته یک عامل مزاحم و منبع خطا محسوب میشد، به بخشی از سیگنال اندازهگیری تبدیل میشود.
البته ثبت تصاویر کافی نیست و باید بتوان اطلاعات مربوط به فاز را از این مجموعه تصاویر استخراج کرد. برای حل این مسئله، پژوهشگران الگوریتمی با عنوان الگوریتم رمزگشایی طبیعی فاز (Natural Phase Decoding Algorithm; NPDA) توسعه دادهاند. این الگوریتم ابتدا میزان تقریبی تغییر فاز ناشی از اختلال را در هر تصویر تخمین میزند.
در مرحله بعد، تصاویر تداخلسنجیای که اطلاعات کافی ندارند یا به دلیل شدت اختلال دچار اعوجاج شدهاند، شناسایی و حذف میشوند. سپس الگوریتم با استفاده از یک فرایند تکرارشونده، اطلاعات فضایی مربوط به سطح و اطلاعات زمانی مربوط به تغییر فاز را از یکدیگر تفکیک میکند و در نهایت فاز سطح را با دقت بیشتری بازسازی میکند.
این روش تطبیقی به سامانه اجازه میدهد حتی در حضور اختلالات مکانیکی با دامنه زیاد، اطلاعات فاز را با دقت مناسبی استخراج کند. یکی از پیامدهای مهم آن نیز حذف نیاز به تجهیزات اختصاصی برای ایجاد تغییر فاز است؛ تجهیزاتی که در سامانههای تداخلسنجی متداول برای کنترل دقیق فاز مورد استفاده قرار میگیرند.
شبیهسازیهای عددی عملکرد DII را در دامنه گستردهای از اختلالات بررسی کردند. نتایج نشان داد که حتی هنگامی که دامنه فاز اختلال به ۷π رادیان میرسد، خطای بازسازی میتواند تا حدود ۰٫۰۰۰۵ طول موج پایین باقی بماند. در مقابل، تداخلسنجی متداول چهارمرحلهای در چنین شرایطی با خطاهایی تا حدود ۰٫۵ طول موج مواجه شد.
مقایسه با برخی الگوریتمهای پیشرفتهای که برای مقابله با اختلالات طراحی شدهاند نیز نشان داد که روش پیشنهادی میتواند دامنه قابلتحمل اختلال را بیش از ۲۰ برابر افزایش دهد. این ویژگی بهویژه برای کاربردهایی اهمیت دارد که امکان ایجاد یک محیط کاملاً ایزوله و بدون لرزش وجود ندارد.
پژوهشگران عملکرد روش جدید را در آزمایش عملی نیز بررسی کردند. در یکی از آزمایشها، سامانه در شرایطی قرار گرفت که لرزش قابلتوجهی وجود داشت و تنها از یک میز اداری معمولی بهعنوان تکیهگاه استفاده شد. با وجود این شرایط، روش DII توانست تکرارپذیری جبهه موج را بهتر از ۰٫۰۰۱۸ طول موج بهدست آورد.
نتایج بهدستآمده همچنین با نتایج تداخلسنجی تغییر فاز متداول در شرایط کاملاً کنترلشده مقایسه شد. در اندازهگیری سطوح کروی، اختلاف RMS میان دو روش به حدود ۰٫۰۰۰۲ طول موج و برای سطوح تخت به حدود ۰٫۰۰۰۷ طول موج رسید. این اعداد نشان میدهند که عملکرد روش جدید، دستکم در آزمایشهای انجامشده، به نتایج روش متداول در شرایط کنترلشده نزدیک بوده است.
در مقابل، روش سنتی PSI در همان شرایط دارای اختلالات دینامیکی قابلتوجه نتوانست اندازهگیریهای قابلاعتمادی ارائه کند. همین تفاوت، یکی از ویژگیهای مهم روش جدید را برجسته میکند: DII برای عملکرد دقیق خود الزاماً به محیطی با لرزش بسیار کم نیاز ندارد.
این رویکرد میتواند برای اندازهگیری قطعات اپتیکی با ابعاد بزرگ اهمیت ویژهای داشته باشد. هرچه ابعاد سامانه افزایش پیدا کند، کنترل کامل ارتعاشات و تغییر شکلهای مکانیکی دشوارتر میشود. بنابراین، تبدیل اختلالات محیطی به بخشی از فرایند اندازهگیری میتواند راهی عملی برای کاهش وابستگی به زیرساختهای پیچیده کنترل لرزش باشد.
به نقل از ایرنا، از سوی دیگر، این فناوری میتواند در اندازهشناسی صنعتی در محل (In-situ Industrial Metrology) نیز مورد توجه قرار گیرد؛ جایی که اندازهگیری باید مستقیماً در محیط تولید و بدون انتقال قطعه به یک آزمایشگاه کاملاً کنترلشده انجام شود. در چنین شرایطی، وجود ارتعاشات و جابهجاییهای کوچک اجتنابناپذیر است و روشهایی که بتوانند با این شرایط سازگار شوند، اهمیت بیشتری پیدا میکنند.
دستاورد این پژوهش در واقع تغییر نگاه به یک مشکل قدیمی است. در تداخلسنجی سنتی، لرزش عمدتاً نویز و عامل ایجاد خطا محسوب میشود؛ اما در DII، همین لرزش به یک سیگنال اطلاعاتی تبدیل میشود. این تغییر رویکرد میتواند مسیر تازهای برای توسعه سامانههای اندازهگیری نوری دقیق، مقاوم و کاربردی در محیطهای پیچیده باز کند؛ بهویژه در آزمون اپتیکهای بزرگ و اندازهگیریهای صنعتی که ایجاد شرایط کاملاً بدون لرزش همیشه امکانپذیر نیست.
