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第六章 結論與未來展望

本研究成功的建立了一套CFPI 量測系統,量測層狀介質表面聲 波的相速度頻散曲線,並探討具限制條件、無限制條件之準牛頓法與 簡單體法反算材料常數的效能。CFPI 光學量測系統與材料常數反算 的演算法均仍有待改進。本章節綜合反算分析與實驗的結果,並提出 相關的改進建議,作為日後參考。

6.1 材料常數的反算

本研究根據第一模態的表面聲波(及雷利波)相速度頻散曲線,進 行鍍膜材料常數的反算。本文採用隨機亂數選定多猜測起始點,兼顧 反算的可靠度及測試區域與全域極小值。頻率在1GHz 以下的雷利波 相速度數據之反算,不論是可靠度,或是精確度,都已達到可接受的 程度。證實具限制條件,無限制條件的準牛頓法及簡單體法都適用於 表面聲波相速度反算鍍膜材料常數的需求。倘若實驗系統可激發與接 收更高頻的表面聲波,本研究的演算程式必須克服失根的數值問題。

6.2 量測系統

6.2.1 共振腔

CFPI 具有高靈敏度與解析度,適合量測波長短且頻率高的表面 聲波。本研究設計的CFPI 共振腔長度為 1 m,共振腔長度越長,受 到環境擾動的影響也越高。當 Nd: YAG 脈衝雷射激發時,所引致的 振動致使共振腔發生低頻振動,增加共振腔控制的難度,影響共振腔 的穩定性。以下有幾點仍須改進與注意的地方:

(1) 共振腔基座應採用剛性較強的結構,增加反射鏡面間距調整裝置

的接觸面積,以免發生較大的局部變形,減少共振腔受到環境擾 動的影響。

(2) 雷射光在共振腔中來回反射共振時,腔體內空氣粒子的布朗運動 和凹面鏡鏡面的潔淨度都將會減低雷射光強度,影響量測訊號的 訊雜比,造成共振腔腔體長度控制的難度與量測上的誤差,建議 增設外罩包裹腔體以改善此現象。

CFPI 量測前的校準是一個相當重要的步驟,初始校準越精確,

共振腔中將只存在單一頻率的雷射光參與共振,透射或反射的光強度 將會越強,可以大幅提高量測訊號的訊雜比。共振腔腔體各元件的同 軸性會影響初始校準的效率,製作過程需要相當的精準,但各元件加 工時,皆會有些許的誤差,可在共振腔體前後鏡座加上θ與φ維度的 微調機構,作為補償。微調後,腔體兩端凹面鏡仍必須共焦,保持與 腔體同軸。

本研究在共振腔體長控制部分,採用壓電管作為腔體長度微調的 主動機構,以PID 控制器進行回饋控制。當外界擾動較低的狀況下,

只需設定I 參數,即能將腔體長度維持在操作點處,若外界擾動過大,

腔體便無法鎖於定操作點。光學干涉儀為寬頻量測系統,量測時將會 引入許多來自系統以外的雜訊,未來系統可針對量測訊號作頻寬分 析,採用主動或被動濾波器濾掉不需要的訊號。

6.2.2 物鏡與工作平台

頻率越高的表面聲波,波長越短,量測時須將光點聚焦在試片 上,光點須小於表面聲波波長的四分之一。若表面聲波的波長小於光 學繞射尺寸的極限

(

0.61λ N.A.

)

時,便達到干涉儀的量測極限。目前 這部分的設置為採用焦距 50 mm 的透鏡將雷射光聚焦在試片上。要 將雷射光準確地聚焦在試片上,是一件很不容易的事情,倘若量測的

試片厚度皆不同,每換一次試片,就要重新調整光路,使得量測複雜 且耗時。建議可以 XYZ 三維平台放置試片,只要試片的厚度差異不 大,微調平台的Z 軸,便可將雷射光輕易地聚焦在試片上,不會改變 初始校準的狀況。

6.2.3 光源

光源是影響干涉儀量測品質的主要因素之一,若以穩頻雷射為光 源,共振腔較容易校正且控制,但是一般穩頻雷射功率通常較低,無 法使用在表面粗糙度高的試片的量測,能量較高的氣體雷射之頻率通 常較不穩定,若要提高干涉儀的實用性,必須慎選能量高且頻率穩定 的雷射光源。

為能確定干涉儀量測表面聲波的工作範圍,製作標準試片測試干 涉儀的工作範圍將是必要的。

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