Diferensiyel Fabry-Perot interferometresi ile nanometre-altı yer değiştirme ve nanoradyan açı ölçüm yöntemlerinin geliştirilmesi ve nanometroloji uygulamaları
Development of methods for sub-nanometer displacement and nanoradian angle measurents using differential Fabry-Perot interferometer and its' applications in nanometrology
Yazar: MEHMET ÇELİK
Danışman: PROF. DR. ARİF DEMİR
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yerdeğiştirme, doğruluk, çözünürlük ve konumlandırma kabiliyeti açısından nanometre-altı uzunluk metrolojisine artan bir talep bulunmaktadır. Metrolojik Fabry-Perot interferometreleri ultra küçük yerdeğiştirme ölçümleri için yaygın bir şekilde kullanılmaktadırlar. Bununla birlikte; bu interferometreler, çoğunlukla, ölçümlerin nispeten küçük bir aralıkta yapılabildiği sınırlı taranabilirliğe sahip lazerler (He-Ne / I2 gibi) kullanmaktadırlar. Ölçüm aralığının genişletilmesi için; ölçüm deney düzeneklerini karmaşıklaştıran kilitle-bırak yöntemlerininin kullanılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasında; doğrusallık hatalarından etkilenmeyen, izlenebilir yerdeğiştirme ölçümleri için; Diferansiyel Fabry-Perot İnterferometresi (DFPİ) ile birlikte; genişletilmiş ölçüm aralığında taranabilir, Rb stabilize Dış Kaviteli Diyot Lazerler (ECDL'ler) kullanılmıştır. Ölçümleri etkileyen çevresel etkilerin baskılanması için diferansiyel konfigürasyonun kullanılması kaçınılmaz olmuştur. X-ışını interferometrisi (XRİ), hem nanometre-altı ölçümler hem de yerdeğiştirmeler için boyutsal nanometroloji alanının önemli bir aracı olarak ortaya çıkmaktadır. Avrupa Birliği araştırma fonları ile desteklenen bu tez çalışmasında; XRİ ve DFPİ cihazları arasında, her iki cihazın pikometre yerdeğiştirme metrolojisi için yeteneklerinin gösterilmesi amacı ile bir dizi karşılaştırma ölçümü gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, iki cihaz arasında iyi bir mutabakat olduğunu göstermesine karşın, 5 pm'den daha küçük bazı küçük farklar gözlemlenmiştir. DFPİ, aynı zamanda nanoradyan (nrad) hassasiyetli ultra-küçük açıların tespiti için de uygulanmıştır. Uygulama esnasında, mevcut Yüksek Hassasiyetli Küçük Açı Üreteci (HPSAG) kullanılarak 1 nrad'a kadar açısal adımlar üretilmiş ve bu adımlar, frekansı kararlı lazerleri kullanan, geleneksel açı interferometrelerine alternatif ve mükemmel performans sağlayan bir yöntemle tespit edilmiştir.

Abstract:
There is an increasing demand for length metrology at the sub-nanometre level, in terms of displacement, accuracy, resolution and positioning capability. Metrological Fabry-Perot interferometers have been widely used for ultra-small displacement measurements. However they mostly use limited tunability lasers (such as He-Ne/I2) by which measurements can be performed in a relatively small range. In order to extend the measurement range lock-unlock methods that complicate the measurement set-ups are required. In this thesis; a Differential Fabry-Perot Interferometer (DFPI) together with extended range tunability Rb stabilized External Cavity Diode Lasers (ECDLs) have been used for nonlinearity free traceable displacement measurements. Differential configuration has been necessarily used for the supression of environmental effects influencing the measurements. X-ray interferometry (XRI) is emerging as an important tool for dimensional nanometrology both for sub-nanometre measurements and displacements. In this thesis, supported by European research funds; a set of comparison measurements between the XRI and the DFPI have been realized to demonstrate the capabilities of both instruments for picometre displacement metrology. The results show good agreement between the two instruments, although some minor differences of less than 5 pm have been observed. DFPI has also been applied to detection of ultra-small angles in the level of nanoradian (nrad) precision. During application, down to 1 nrad angular steps have been generated using available High Precision Small Angle Generator (HPSAG) and these steps have been detected using the frequency stabilised lasers as an alternative and outperforming method to conventional angle interferometers.