Optical Determination of Refractive Index and Thickness of Dielectric and Polymer Films

يتصرف الضوء بطريقة بسيطة ومخادعة في آن واحد عندما يصطدم بمادة شفافة. فبينما ينتقل شعاع الضوء من الهواء إلى جسم صلب، مثل قطعة من الزجاج أو غشاء بلاستيكي، فإنه يتباطأ. وهذا التغير في السرعة هو ما يسميه العلماء معامل الانكسار، وهو رقم يصف مدى انحناء المادة للضوء. وإلى جانب هذا الانحناء، تمتلك المادة أيضاً سمكاً فيزيائياً. ولعقود من الزمن، تطلب قياس هاتين الخاصيتين — مدى انحناء الضوء وسمك الجسم — معدات معقدة وباهظة الثمن أو عينات مقطوعة في أشكال محددة مثل المناشور. وغالباً ما تتطلب هذه الطرق التقليدية أن تكون المادة مُعدة بشكل مثالي أو أن يظل جهاز القياس ثابتاً تماماً، مما يجعل استخدامها صعباً مع الأجسام اليومية أو الأفلام الرقيقة الحساسة.

لقد أظهر فريق من الباحثين الآن طريقة أبسط بكثير لإيجاد هذه القيم باستخدام ليزر قياسي وكاشف ضوئي فقط. يعتمد نهجهم على مبدأ أساسي لكيفية تفاعل الضوء مع الأسطح المسطحة والمتوازية. فعندما يصطدم الضوء بقطعة مسطحة، ينعكس جزء منه عن السطح الأمامي، بينما يدخل جزء آخر إلى المادة، وينعكس عن السطح الخلفي، ثم يخرج مجدداً. وفي العينات السميكة جداً، تحدث هذه الانعكاسات الداخلية المتعددة بسرعة وعشوائية شديدة لدرجة أنها تتلاشى كمتوسط، تاركةً كمية ثابتة وقابلة للقياس من الضوء الذي يعبر بالكامل. وقد وجد الباحثون أنه من خلال قياس كمية الضوء التي تمر عبر العينة ببساطة، يمكنهم حساب معامل الانكسار بدقة عالية، دون الحاجة لمعرفة السمك مسبقاً أو استخدام حيل التداخل الضوئي. وتعمل هذه الطريقة لمجموعة واسعة من المواد، من الزجاج المصقول إلى أفلام البوليمر الناعمة، مما يوفر أداة منخفضة التكلفة وغير مدمرة للعلماء والمهندسين.

يتضمن جوهر هذه التقنية الجديدة تسليط شعاع ليزر مباشرة على قطعة مسطحة من مادة ما، وقياس شدة الضوء الذي يخرج من الجانب الآخر. ولأن أسطح المادة تعكس جزءاً صغيراً من الضوء، فإن كمية الضوء التي تمر ترتبط ارتباطاً مباشراً بمدى انحناء المادة للضوء. وقد أظهر الباحثون أنه إذا كانت العينة سميكة بما يكفي، فإن التقلبات السريعة الناتجة عن الانعكاسات الداخلية تختفي، مما يترك إشارة واضحة. ومن خلال وضع قيمة النفاذية هذه في علاقة رياضية مباشرة، استطاعوا تحديد معامل الانكسار على الفور. كما أخذوا في الاعتبار حقيقة أن بعض المواد تمتص القليل من الضوء، مما ضمن بقاء حساباتهم دقيقة حتى بالنسبة للعينات الملونة قليلاً أو غير المثالية. يلغي هذا النهج الحاجة إلى معايرة معقدة أو معرفة مسبقة بأبعاد العينة، محولاً قياساً ضوئياً واحداً إلى ملف بصري كامل.

وللتحقق من نتائجهم، اختبر الفريق هذه الطريقة على العديد من المواد الضخمة الشائعة، بما في ذلك زجاج البورسليكات، وزجاج BK7 البصري، والسيليكا المنصهرة، وأنواع مختلفة من البلاستيك مثل PMMA والبولي كربونات. وقارنوا نتائجهم بالقيم المرجعية المعروفة لهذه المواد. وبالنسبة لعينات الزجاج المصقول، كان الفرق بين قيمهم المحسوبة والمعايير المقبولة ضئيلاً للغاية، حيث وقع ضمن هامش خطأ يضاهي الأجهزة التجارية. أما بالنسبة لعينات البلاستيك، فقد كانت النتائج أقل دقة قليلاً، ويرجع ذلك على الأرجح إلى الخشونة المجهرية على السطح التي تشتت الضوء، ومع ذلك قدمت الطريقة تقديرات موثوقة. أكد هذا التحقق أن قياس النفاذية البسيط يمكن أن يعمل كبديل قوي للتقنيات الأكثر تعقيداً لتوصيف الصفائح العازلة الصلبة.

وبعيداً عن مجرد إيجاد معامل الانكسار، أراد الباحثون أيضاً رسم خريطة لسمك هذه المواد بدقة مكانية عالية. وللقيام بذلك، استخدموا تقنية ثانية تتضمن مقياس تداخل "ماخ-زيندر"، وهو جهاز يقسم شعاع الليزر إلى مسارين ويعيد دمجهما لإنشاء نمط تداخل. ومن خلال وضع عينة في أحد المسارين، تمكنوا من رؤية كيفية انزياح موجات الضوء بالنسبة للمسار الفارغ، مما كشف عن سمك المادة عند كل نقطة عبر سطحها. سمح لهم هذا بإنشاء خرائط مفصلة تظهر تغيرات في السمك تصل إلى 50 نانومتر عبر مساحة قدرها خمسة مليمترات. كما قاموا بالتحقق من صحة هذه الخرائط عن طريق إمالة العينات بزوايا مختلفة وعدّ انزياحات أهداب التداخل، وهي طريقة أكدت أن قياسات السمك لديهم كانت متسقة ودقيقة.

طبق البحث أيضاً هذا النهج المزدوج على نظام أكثر تعقيداً: أفلام رقيقة مصنوعة من مزيج من بوليمرين مختلفين، هما كحول البولي فينيل والبولي فينيل بيروليدون. تُستخدم هذه المخاليط في تطبيقات صناعية متنوعة، لكن خصائصها البصرية تتغير اعتماداً على نسبة المكونين. قام الباحثون بإنشاء أفلام بنسب متفاوتة من كل بوليمر وقاسوا معاملات الانكسار الخاصة بها. ووجدوا أنه مع زيادة نسبة أحد البوليمرين، يتغير معامل انكسار الخليط بطريقة سلسة ومتوقعة. ومن خلال مطابقة بياناتهم مع نموذج فيزيائي معروف يصف كيفية تفاعل الضوء مع المخاليط، تمكنوا من تحديد معاملات الانكسار الدقيقة للمكونات النقية. أكد هذا أن الأفلام كانت متجانسة بصرياً وأن تقنية القياس البسيطة الخاصة بهم يمكنها توصيف مخاليط المواد المعقدة بفعالية.

تمتد آثار هذا العمل إلى أي مجال يتطلب توصيف الأفلام الشفافة أو الصفائح. إن القدرة على تحديد كل من معامل الانكسار والسمك باستخدام ليزر وكاشف فقط تجعل العملية ميسورة التكلفة وسهلة الوصول. فهي تزيل الحاجة إلى معدات متخصصة باهظة الثمن أو مشغلين ذوي مهارات عالية لإجراء هذه القياسات. وقد أظهر الباحثون أنه بالنسبة للزجاج المصقول، كان عدم اليقين في قياس معامل الانكسار لديهم حوالي 0.003، وهو مستوى من الدقة كافٍ لمعظم التطبيقات العملية. وبالنسبة لمخاليط البوليمر، نجحوا في رسم خريطة للنطاق الكامل من التركيبات، مما أظهر أن الخصائص البصرية للمزيج يمكن التنبؤ بها وقياسها بثقة.

وفي خاتمتهم، أكد المؤلفون أن هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص للمواد المتجانسة والتي تمتص الضوء بشكل ضعيف فقط. وأشاروا إلى أنه بينما يمكن للعيوب السطحية أن تسبب أخطاء صغيرة، إلا أن التقنية تظل قوية لمجموعة متنوعة من المواد الشائعة. كما سلطت الدراسة الضوء على إمكانات التحسين المستقبلي، مثل استخدام أطوال موجية مختلفة من الضوء لدراسة كيفية تغير معامل الانكسار مع اللون، أو تطبيق الطريقة على هياكل أكثر تعقيداً ومتعددة الطبقات. ومن خلال الجمع بين قياس النفاذية البسيط ورسم الخرائط التداخلية المتقدمة، قدم الباحثون مساراً واضحاً وموثوقاً لفهم الطبيعة البصرية للمواد اليومية، من زجاج النوافذ إلى الأفلام البلاستيكية في التكنولوجيا الحديثة.