이 작업은 JSPS KAKENHI, 교부금 번호 JP16K17988 및 JP16K05996 및 내각부가 운영하는 구조적 재료 (SIP-IMASM)에 대한 혁신적인 측정 및 분석의 D66 부서 간 전략적 혁신 진흥 프로그램에 의해 지원되었습니다. 저자는 또한 Drs에게 감사하고 있습니다. NIMS의 Kishimoto Satoshi와 Naito Kimiyoshi의 CFRP 자료.

1. 시편의 미세 나노 눈금 확인 <ol><li> 시편의 가공 <ol><li> 현미경 ( 예 : 1x5x30mm3)에서 사용되는 특정 로딩 장치에 필요한 크기로 표본을 자르고 관찰 할 표면을 관심 영역보다 1.5x 크게 만듭니다. </li><li> 자동 폴리싱 기계 ( 예 : SiC 호 320 번을 3 분간, # 800을 150 rpm으로 1 분간 사용)에 거친 미세한 모래지를 사용하여 관측 할 표본 표면을 관찰합니다 ( 예 : 1 x 30mm 2 ). 30 N). 각 연마 단계 후에 물을 사용하여 시험편을 청소하십시오. </li><li> 동일한 시험편 표면을 자동 연마기 ( 예 : 5 분 동안 DP- 스프레이 P 15 μm, 8 분 동안 P 1 μm, 150 rpm에서 10 분 동안 P 0.25 μm 사용)에 대해 거친 연마제 및 미세 연마제를 사용하여 연속 연마합니다. 30 N). 각 연마 후 물로 표본을 닦으십시오.g 단계. </li></ol></li><li> 샘플에주기적인 패턴이 없다면 Micro / Nano-scale Grid의 제작 참고 : 자연스러운주기 패턴이 시편 표면의 마이크로 / 나노 스케일에 존재하는 경우이 단계를 생략 할 수 있습니다. 자외선 (UV) 또는 가열 나노 임프린트 리소그래피 (NIL) 26 , 전자 빔 리소그래피 (EBL) 2 및 집속 이온 빔 (FIB) 밀링 6 에서 그리드 제조 방법을 선택하십시오. 참고 : 예를 들어 UV NIL을 사용하여 그리드 제조 프로세스를 소개합니다. <ol><li> 피펫을 사용하여 시료 표면에 UV 레지스트 2 mL를 떨어 뜨립니다. </li><li> 스핀 코터를 사용하여 1,500 rpm에서 60 초 동안 시편 표면의 레지스트를 코팅합니다. </li><li> 0.2 MPa의 압력에서 나노 임프린트 금형을 레지스트 층에 눌러 라. 30 초 동안 375 nm 파장의 UV에 레지스트를 노출 시키십시오. </li><li> 나노 임프린트 금형을 시편 표면과 분리하십시오. </li></ol&gt; </li><li> 현미경을 이용한 시편 격자의 관찰 <ol><li> 이온 코터를 사용하여 그리드 표면에 3-10 nm 두께의 백금 또는 금층을 코팅합니다 ( 예 : 3 Pa에서 30 초 동안 스퍼터링 전류 30 mA로 코팅). </li><li> 표본을 레이저 스캐닝 현미경 (LSM) 23에 놓습니다. 참고 : 투과 전자 현미경 (TEM) 5 , 원자력 현미경 (AFM) 12 또는 주사 전자 현미경 (SEM) 7 과 같은 다른 현미경도 사용할 수 있습니다. </li><li> 현미경의 이미지 레코딩 소프트웨어에서 &quot;Capture&quot;및 &quot;File | Export | Image File&quot;을 클릭하여 현미경을 사용하여 포커스를 조정하고 하나의 격자 이미지를 저장합니다. </li></ol></li><li> 격자 이미지로부터 표본의 격자 피치 (nm 또는 μm) 계산 <ol><li> 10 gr 이상의 평균값 계산ID는 주사 또는 렌즈 왜곡의 잠재적 인 영향을 피하기 위해 그리드 이미지의 중앙 영역에 투구됩니다. 참고 : 표본의 그리드는 실온에서 며칠 동안 저장할 수 있습니다. </li></ol></li></ol> 2. 적재 시험에서 격자 이미지 획득 <ol><li> 현미경으로 하중 시험 준비 <ol><li> 현미경으로 인장, 압축, 가열 또는 전기 적재 장치와 같은 로딩 장치에 시편을 고정시킵니다. 참고 : 그리드 피치가 20 nm보다 작 으면 TEM 또는 AFM을 사용해야합니다. 그리드 피치가 20nm 내지 10㎛이면, SEM이 사용될 수있다. 그리드 피치가 400 nm보다 크면 LSM을 사용할 수 있습니다. </li><li> 특정 요구 사항에 따라 하중 속도 ( 예 : 0.01 mm / s)와 하중 또는 변위 증분 단계 ( 예 : 0.5 N / 단계 또는 0.024 mm / 단계)를 설정하십시오. 하중과 변위를 모두 0으로 미리 설정하십시오. </li><li> 그리드 서핑 만들기관측 평면에 에이스. 현미경의 샘플 스테이지를 움직이거나 회전시켜 낮은 배율에서 관심 영역을 선택하십시오. </li><li> 이미지의 격자 피치를 1.8 x 1 픽셀 크기보다 크게하여 적절한 배율을 선택하십시오. 참고 : 일반적으로 이미지의 격자 피치를 2 픽셀 이상으로 만드는 것이 좋습니다. 하나의 격자 피치가 더 많은 픽셀에 해당할수록, 변형 측정의 정확도가 높아지지만 측정 시야가 더 작아집니다. </li></ol></li><li> 로딩 테스트에서 그리드 이미지 모음 <ol><li> 현미경의 이미지 레코딩 소프트웨어에서 &quot;Capture&quot;및 &quot;File | Export | Image File&quot;을 클릭하여로드하기 전에 관심 영역의 그리드 이미지를 저장하십시오. </li><li> 로드 장치의 운영 소프트웨어를 사용하여 첫 번째로드 단계 ( 예 : 0.5 N 또는 0.024 mm)를 실행하여 현미경에 시편을로드하기 시작합니다. </li><li> 기록현미경의 이미지 기록 소프트웨어에서 &quot;Capture&quot;및 &quot;File | Export | Image File&quot;을 클릭하여 첫 번째로드 단계 ( 예 : 0.5 N 또는 0.024 mm) 후 관심 영역의 그리드 이미지를 정렬하십시오. 현미경의 배율과 작동 거리가 변하지 않도록하십시오. </li><li> 적재 장치를 사용하여 각 적재 단계를 수행하여 시험편을 계속 적재하십시오. 시편이 깨지거나 일정 값에 도달 할 때까지 ( 예 : 1 N, 1.5 N, 2.0 N, ..., 10 N, 19 간격으로로드하고 0.5 간격으로 19 개 격자 이미지를 기록 할 때까지) N, 또는 0.048mm, 0.072mm, 0.096mm, ..., 0.48mm, 0.024mm 간격). 현미경의 배율과 작동 거리가 변하지 않았는지 확인하십시오. 참고 : 그리드 이미지는 임의의 시간 동안 저장할 수 있습니다. </li></ol></li></ol> 3. Def 전후 모아레 무늬 샘플링 생성정사 <ol><li> 격자 이미지의 격자 피치 (픽셀) 추정 <ol><li> 이미지 처리 소프트웨어 ( 예 : Microsoft 그림판)에서 인접한 두 격자 점의 중심 사이의 거리를 측정하여로드하기 전에 격자 이미지의 격자 피치 (단위 : 픽셀)를 계산합니다. </li><li> 최대 부하에서 그리드 이미지의 그리드 피치를 추정합니다. </li></ol></li><li> 샘플링 피치 (픽셀)의 결정 <ol><li> 변형 전후의 그리드 피치가 1.8 ~ 2.5 픽셀 일 때 3.2.2 단계로 이동합니다. 변형 전후의 그리드 피치가 2.4 ~ 3.6 픽셀 인 경우 3.2.3 단계로 건너 뜁니다. 변형 전후의 그리드 피치가 3.2 픽셀보다 큰 경우 3.2.4 단계로 건너 뜁니다. </li><li> 샘플링 피치를 T = 2 픽셀로 설정하십시오. 3.3 단계로 건너 뜁니다. </li><li> 샘플링 피치를 T = 3 픽셀로 설정하십시오. 3.3 단계로 건너 뜁니다. </li><li> 샘플링 피치 T 를 양수로 설정하십시오.풍부한 시뮬레이션 결과로 결정된, 변형 전후의 그리드 피치의 0.75 배와 1.25 배의 정수. 참고 : 3.2.1 및 3.2.4 단계의 요구 사항을 충족하는 2 개의 양의 정수가있는 경우 큰 정수를 샘플링 피치로 선택하는 것이 좋습니다. 요구 사항을 충족시키는 3 개 이상의 양의 정수가있는 경우 샘플링 피치보다 약간 큰 중간 정수를 선택하는 것이 좋습니다. </li></ol></li><li> 변형 전 샘플링 모아레 줄무늬 생성 <ol><li> 변형되기 전에 그리드 이미지를 엽니 다. x 방향을 우측으로, y 방향을 수직 방향으로하고, 좌표 (0, 0)를 좌상 구석으로하고, x 방향의 화상 폭 W 및 y 방향의 상 높이 H 를 산출한다 . 참고 : y 방향은 다음과 같이 정의 할 수도 있습니다.수직 상향으로. </li><li> 3.3.3 단계로 이동하여 모아레 무늬를 y 방향으로 생성합니다. x 방향으로 모아레 무늬를 생성하려면 3.3.7 단계로 건너 뜁니다. </li><li> 저역 통과 필터 (LPF)를 사용하여 그리드 이미지를 격자 이미지로 처리합니다. 예를 들어 FT 알고리즘을 사용하여 주 방향이 x 인 격자를 억제합니다. 주 방향은 격자 선에 수직 인 방향으로 정의됩니다. 필터 크기를 그리드 피치에 가깝게 설정하십시오. </li><li> y = k 픽셀 ( k = 0) ( 그림 1 )에서 샘플링 피치 T ( T ≥2)의 간격을 사용하여 여러 가로선의 회색 값만 추출하여 그리드 이미지를 엷게 만듭니다. y = k 픽셀, y = k + T 픽셀, ..., y = k + iT 픽셀의 샘플링 라인에서의 값, 여기서 i 는 a양의 정수). 마지막 샘플링 라인 k + iT 의 좌표를 이미지 높이 H 보다 작게 만듭니다. </li><li> 수평 샘플링 라인으로 이미지의 전계 강도 보간 (선형 또는 B 스플라인)을 수행하여 y 방향으로 샘플링 모아레 패턴을 생성합니다. </li><li> 1 픽셀의 증분 단계에서 k 를 변경하여 3.3.4 및 3.3.5 T -1 번 단계를 반복하여 y 방향으로 다른 T -1 샘플링 모아레 패턴을 생성합니다 ( 예 : 시닝의 시작점을 y = k로 이동). k = 1, ..., T -1)을 생성한다. </li><li> 단계 3.3.3에서 x 를 y 로 변경하고, 이미지 높이 H 를 이미지 너비 W 로 변경하여 3.3.3-3.3.6 단계와 동일한 절차를 사용하여 x 방향으로 T- 스텝 공간 위상 이동 샘플링 모아레 패턴을 생성합니다 단계 3.3에서 y 를 x 로 변경합니다.4-3.3.6. 참고 : x 방향의 샘플링 피치는 y 방향의 샘플링 피치와 다를 수 있습니다. </li></ol></li><li> 변형 후 샘플링 모아레 줄무늬의 생성 <ol><li> 다른로드에서 모든 그리드 이미지를 엽니 다. 격자 이미지의 수가 N 이라고 가정합니다. </li><li> 3.3.3-3.3.6 단계를 반복하여 Y 방향으로 T- 스텝 공간 위상 이동 모아레 무늬의 N 그룹을 생성합니다. </li><li> 3.3.7 N 단계를 반복하여 x 방향으로 T- 스텝 공간 위상 이동 모아레 무늬의 N 그룹을 생성합니다. </li></ol></li></ol> 4. 하중 시험시 시편의 변형 측정 <ol><li> 변형 전후의 모아레 무늬의 강도 측정 <ol><li> t에서 변형되기 전에 T- step 모아레 무늬의 강도를 추출합니다.3.3.5 및 3.3.6 단계에서 y 방향; 단계 3.3.7에서 x 방향의 므와 르 강도를 결정한다. 다음 방정식 23을 사용하여 j ( j = x , y ) 방향으로 변형하기 전의 T- 스텝 (T≥2) 모아레 강도를 기술하십시오. <img alt="방정식 1" src="/files/ftp_upload/55739/image001.jpg" /> (1) 여기서 p j 는 j ( j = x , y ) 방향에서 변형되기 전의 그리드 피치, A 는 변조 된 진폭, D 는 배경 및 고주파 강도를 포함합니다. </li><li> 단계 3.4.2에서 y 방향 변형 후 T- 스텝 모아레 무늬의 강도를 추출하고 3.4.3 단계에서 x 방향의 모아레 강도를 결정합니다. 변형 후 T- step (T≥2) 모아레 강도를 기술하십시오.J ( k ), pj, A 및 D 를 I &#39;m, j ( k ), p &#39;로 변경함으로써 상기 식 (식 1)과 동일한 방정식을 사용하여 j ( j = x , y ) j , A &#39;, D &#39;와 같이 나타낼 수있다. 참고 : 샘플링 피치가 3 픽셀 이상인 경우이 단계를 무시하고 4.3 단계로 건너 뜁니다. </li></ol></li><li><ol><li> 다음의 식 23을 사용하여 변형 이전에 2 단계 샘플링 모아레 강도 ( 그림 1a ) 간의 곱셈 간섭으로부터 곱셈 모아레 무늬를 재구성합니다 <img alt="등식 2" src="/files/ftp_upload/55739/image002.jpg" /> (2) 여기서 나는 멀티, j 는 강도 o를 의미한다.f : 변형 전의 j ( j = x , y ) 방향으로 재구성 된 곱셈 모아레 줄무늬. </li><li> 프린지 센터링 기술을 사용하여 변형하기 전에 재구성 된 다중화 모아레 줄무늬를 처리합니다 24 . 연속 된 정수와 반 정수 fj = [1, 1.5, 2, 2.5, ...]를 재구성 된 곱셈 모아레의 중심선에서 프린지 순서에 할당하십시오. 참고 : 곱셈 모아레 무늬가 너무 조밀하면 두 단계 샘플링 모아레의 프린지 순서가 먼저 결정될 수 있습니다 ( 즉, f j ( 0) = [1, 0, 2, 0, 3, 0, ...] 및 fj (1) = [0, 1.5, 0, 2.5, 0, 3.5, ...]). 곱셈 모아레 줄무늬의 프린지 순서는 fj = fj (0) + fj (1) = [1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, ...]가 될 것이다. 강체 변위는 변형률 결과에 영향을 미치지 않습니다. </li><li> 다음 식 23을 사용하여 샘플링 피치에 대한 변형 이전의 시험편의 상대 변형률을 측정합니다 <img alt="등식 3" src="/files/ftp_upload/55739/image003.jpg" /> (삼) <img alt="등식 4" src="/files/ftp_upload/55739/image004.jpg" /> (4) 여기서 u j _rela 와 ε j _rela 는 각각 j ( j = x , y ) 방향에서의 변형 전의 시편의 상대 변위와 상대 변형률을 나타내고, γ xy _rela는 변형 전의 상대 전단 변형률을 나타낸다. </li><li> I multi, j , I m, j (0), I m, j를 변화시켜 N 회 동안 x 및 y 방향으로 변형시킨 후 시험편의 상대 변형을 결정하기 위해 4.2.1-4.2.3 단계를 반복 한다. </(2) - (4)에서 I &#39; multi, j , I &#39; , j &#39; , j &#39; , j &#39; y &#39;), ε&#39;j_rela , 및 γ &#39; xy_rela 를 각각 사용하여, 각각 m, j (0), I &#39;m, j (1), p&#39;j , A &#39;, D &#39; 여기서 위 첨자 단일 인용 부호는 변형 이후를 의미합니다. </li><li> j ( j = x , y ) 방향의 실제 수직 변형량 ε j 를 결정합니다.이 방향은 격자 피치와 전단 변형률 γ xy 의 상대 변화입니다.e 변형 전후의 상대 변형률에 의한 하중에 의한 시험편의 그리드 각도 변화 20 . <img alt="등식 5" src="/files/ftp_upload/55739/image005.jpg" /> (5) <img alt="등식 6" src="/files/ftp_upload/55739/image006.jpg" /> (6) </li></ol></li><li> 변형 측정 샘플링 피치가 T ≥ 3 픽셀 인 경우 <ol><li> 공간 위상 이동 기술을 사용하여 k = 0 일 때 변형 이전에 j ( j = x , y ) 방향으로 샘플링 모아레 무늬의 위상을 계산합니다 ( 그림 1b ). <img alt="등식 7" src="/files/ftp_upload/55739/image007.jpg" /> (7) </li><li> φ = m 을 대입하여 k = 0 일 때 변형 후 j ( j = x , y ) 방향으로 샘플링 모아레 무늬의 위상을 얻는다 . <e위첨자 단일 인용 부호가 변형 이후를 의미하는 φ &#39; m, j 및 I &#39;m, j ( k )로 각각 식 (7)에서 I m, j 및 I m, j ( k ) N 개의 로드에 대해 N 번 반복합니다. 참고 : 4.3.1 및 4.3.2 단계의 위상 분포에 너무 많은 무작위 노이즈가있는 경우 sin / cos 필터 25 를 사용하여 위상을 평활화 할 수 있습니다. </li><li> 변형 전후의 j ( j = x , y ) 방향 ( 즉, Δ φ m, j = φ m, j - φ m, j )에서의 샘플링 모아레 무늬의 위상차를 결정한다. </li><li> 변위의 분포 u j , 정상 변형 ε j 를 <em&gt; j ( j = x , y ) 방향과 하중에 의한 시편의 전단 변형률 γ xy 를 구한다. 다음 방정식 6 , 21을 사용하십시오. <img alt="등식 8" src="/files/ftp_upload/55739/image008.jpg" /> (8) <img alt="등식 9" src="/files/ftp_upload/55739/image009.jpg" /> (9) <img alt="등식 10" src="/files/ftp_upload/55739/image010.jpg" /> (10) 참고 : 변형률 분포에 너무 많은 노이즈가있는 경우 필터 크기가 2 그리드 피치보다 작은 평균 평활화 필터를 사용할 수 있습니다. </li></ol></li><li> 결과 저장소 <ol><li> .tif 또는 .bmp 파일과 같은 이미지 형식 및 .txt 또는 .csv와 같은 텍스트의 모아레 무늬, 위상 (샘플링 피치가 T ≥3 픽셀 일 때), 변위 및 변형을 저장합니다. 파일. </li></ol></li></ol>

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<li>Dai, F., Wang, Z. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/263926500_Automatic_fringe_patterns_analysis_using_digital_processing_techniques_I_Fringe_center_method">Automatic fringe patterns analysis using digital processing tehniques: I fringe center method.</a> Acta Photonica Sinica. 28, 700-706 (1999).</li>
<li>Gutmann, B., Weber, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase-shifter+calibration+and+error+detection+in+phase-shifting+applications%3A+a+new+method%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Opt%22%5BJournal%5D)">Phase-shifter calibration and error detection in phase-shifting applications: a new method.</a> Appl. Opt. 37 (32), 7624-7631 (1998).</li>
<li>Wang, Q., Kishimoto, S., Tanaka, Y., Kagawa, Y. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816613000845">Micro/submicro grating fabrication on metals for deformation measurement based on ultraviolet nanoimprint lithography.</a> Opt. Lasers Eng. 51 (7), 944-948 (2013).</li>
<li>Min-Jin, T., Hui-Min, X., Yan-Jie, L., Xiao-Jun, L., Dan, W. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/29/9/098101">A new grating fabrication technique on metal films using UV-nanoimprint lithography.</a> Chin. Phys. Lett. 29 (9), 098101(2012).</li>
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설명 된 기술에서 표본에 주기적 패턴이없는 경우 도전 과제 중 하나는 도전 과제 인 마이크로 / 나노 스케일 그리드 또는 격자 (그리드로 약칭 ) 입니다. 그리드 피치는 변형 측정에 중요한 매개 변수이기 때문에 변형 전에 일정해야합니다. 재료가 금속, 금속 합금 또는 세라믹 인 경우, UV 또는 가열 나노 임프린트 리소그래피 (NIL) ( 27) , 전자빔 리소그래피 (EBL) ...

마이크로 / 나노 스케일 변형 측정은 기계적 특성, 불안정한 거동, 잔류 응력 및 첨단 소재의 균열 발생을 평가하는 데 필수적입니다. 광학 기술은 비접촉, 전계 및 비파괴이므로 지난 수십 년 동안 변형 측정을 위해 다양한 광학 방법이 개발되었습니다. 최근, 마이크로 / 나노 스케일 변형 측정 기술은 주로 모아레 법 1 , 2 , 3 , 4 , 기하 위상 분석 (GPA) 5 , 6 , 푸리에 변환 (FT), 디지털 이미지 상관 (DIC) 전자 스펙 클 패턴 간섭계 (ESPI). 이 기술들 중에서 GPA와 FT는 다중 주파수가 존재하기 때문에 복잡한 변형 측정에 적합하지 않습니다. DIC 방법은 sim입니다.변형 캐리어가 랜덤 스페 클 (random speckle)이기 때문에 소음에 대한 무력감. 마지막으로 ESPI는 진동에 매우 민감합니다. 마이크로 / 나노 스케일의 모아레 법 중에서 가장 일반적으로 사용되는 방법은 전자 스캐닝 모아레 7 , 8 , 9 , 레이저 스캐닝 모아레 10 , 11 및 원자 힘 현미경 (AFM) 모아레 12 와 같은 현미경 스캐닝 모아레 법입니다 , 디지털 / 겹침 모아레 13 , 14 , 15 방법 및 곱셈 / 분수 모아레 방법 16 , 17 과 같은 현미경 기반의 모아레 방법이 있습니다. 스캔 모아레 방법은 넓은 시야, 높은 해상도lution, 무작위 소음에 둔감합니다. 그러나 기존의 스캔 모아레 방법은 샘플 스테이지 또는 스캔 방향을 90 ° 회전시키고 두 방향으로 모아레 무늬를 생성하기 위해 두 번 스캔해야하기 때문에 2D 변형 측정에 불편합니다 18 . 회전 및 이중 스캐닝 프로세스는 회전 오차를 유발하고 오랜 시간이 걸리며 2D 변형의 측정 정확도, 특히 전단 응력에 심각하게 영향을 미칩니다. 시간 위상 시프트 기술 19 , 20 은 변형 측정 정확도를 향상시킬 수 있지만 동적 테스트에 부적합한 시간 및 특수 위상 시프트 장치가 필요합니다. 샘플링 모아레 법 (21 , 22) 은 변위 측정에서 높은 정확도를 가지며, 현재 자동차 p나귀. 샘플링 모아레 법을 마이크로 / 나노 스케일 2D 스트레인 측정으로 확장하기 위해 2 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 재구성 된 멀티 플라이어 모아레 법이 새로 개발되었으며이 측정법은 측정 값이 두 배로 민감하며 스캔 모아레 법이 유지된다. 또한 공간 위상 편이 샘플링 모아레 법은 다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬로부터 개발되어 고정밀 변형률 측정이 가능합니다. 이 프로토콜은 상세한 변형률 측정 절차를 소개하며 연구원 및 엔지니어가 변형 측정 방법을 배우고 재료 및 제품의 제조 프로세스를 개선하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.

<table><tbody><tr><td>Automatic Polishing Machine</td><td>Marumoto Struers K.K.</td><td>LaboPol-30, Labor Force-100</td><td></td></tr><tr><td>Carbon Fiber Reinforced Plastic</td><td>Mitsubishi Plastics, Inc.&amp;nbsp;</td><td>HYEJ16M95DHX1</td><td></td></tr><tr><td>Computer</td><td>DELL Japan</td><td>VOSTRO</td><td>Can be replaced with another computer with C++ programming language</td></tr><tr><td>Image Recording Software</td><td>Lasertec Corporation</td><td>LMEYE7</td><td>Installed in a laser scanning microscope</td></tr><tr><td>Ion Coater</td><td>Japan Electron Optics Laboratory Ltd.</td><td>JEC3000F</td><td></td></tr><tr><td>Laser Scanning Microscope</td><td>Lasertec Corporation</td><td>OPTELICS HYBRID</td><td></td></tr><tr><td>Nanoimprint Device</td><td>Japan Laser Corporation&amp;nbsp;</td><td>EUN-4200</td><td>Can be replaced with a electron beam lithography device or a focused ion beam milling device</td></tr><tr><td>Nanoimprint Mold</td><td>SCIVAX Corporation</td><td>3.0&amp;mu;m pitch</td><td>Customized</td></tr><tr><td>Nanoimprint Resist</td><td>Toyo Gosei Co., Ltd&amp;nbsp;</td><td>PAK01</td><td></td></tr><tr><td>Polishing Solution</td><td>Marumoto Struers K.K.</td><td>DP-Spray P 15&amp;mu;m, 1&amp;mu;m, 0.25&amp;mu;m</td><td>Use from coarse to fine</td></tr><tr><td>Pipet</td><td>AS ONE Corporation</td><td>10mL</td><td></td></tr><tr><td>Sand Paper</td><td>Marumoto Struers K.K.</td><td>SiC Foil #320, #800</td><td>Use from coarse to fine</td></tr><tr><td>Spin Coater</td><td>MIKASA Corporation</td><td>MS-A100</td><td></td></tr></tbody></table>

micro/nano-scale strain distribution measurement from sampling moir&#233; fringes

이 연구는 전장 마이크로 / 나노 스케일 변형 측정을위한 샘플링 모아레 기법의 측정 절차와 원리를 설명합니다. 개발 된 기법은 두 가지 방식으로 수행 될 수 있습니다 : 재구성 된 곱셈 모아레 법 또는 공간 위상 변이 샘플링 모아레 법 사용. 표본 그리드 피치가 약 2 픽셀 인 경우, 2- 픽셀 샘플링 모아레 무늬가 생성되어 변형 측정을위한 곱셈 모아레 패턴을 재구성합니다. 변위 및 변형 감도는 동일한 넓은 시야에서 기존 스캐닝 모아레 방법보다 두 배 높습니다. 표본 그리드 피치가 3 픽셀 이상이거나 또는 그보다 크면 다중 픽셀 샘플링 모아레 무늬가 생성되고 공간 위상 변이 기술이 전체 필드 변형 측정을 위해 결합됩니다. 변형률 측정 정확도가 크게 향상되고 자동 배치 측정을 쉽게 수행 할 수 있습니다.두 가지 방법 모두 기존의 모아레 기법과 같이 표본 또는 주사선을 회전시키지 않고 단일 샷 그리드 이미지에서 2 차원 (2D) 변형률 분포를 측정 할 수 있습니다. 예를 들어 두 탄소 섬유 강화 플라스틱 시험편의 전단 변형률을 포함한 2D 변위 및 변형률 분포를 3 점 굽힘 시험에서 측정했습니다. 제안 된 기술은 다양한 재료의 기계적 성질, 균열 발생 및 잔류 응력의 비파괴적인 정량 평가에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

2 개의 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP) 시편 (# 1 및 # 2)의 2D 변위 및 변형률 분포는 모아레 형성 원리 23 및 측정 프로세스 ( 그림 1 )에 따라 측정되었습니다. CFRP 시험편은 직경이 10-11 μm 인 K13D 탄소 섬유와 에폭시 수지로 만들어졌다. CFRP # 1의 변형은 2 단계 샘플링 모아레 무늬에서 재구성 된 곱셈 모아레 법을 사용하여 결정되었고, ...

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Micro/Nano-scale Strain Distribution Measurement from Sampling Moir&#233; Fringes

마이크로 / 나노 스케일에서 고정밀 변형률 분포 측정을위한 2 픽셀 및 다중 픽셀 샘플링 방법을 특징으로하는 샘플링 모아레 기법이 여기에 제시됩니다.

샘플링 모아레 프린지에서의 마이크로 / 나노 스케일 변형률 측정

This work describes the measurement procedure and principles of a sampling moir&#233; technique for full-field micro/nano-scale deformation measurements. ...

micronano-scale-strain-distribution-measurement-from-sampling-moir

Research

JoVE Journal

Engineering

12.2K 조회수.  National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST).  마이크로 / 나노 스케일에서 고정밀 변형률 분포 측정을위한 2 픽셀 및 다중 픽셀 샘플링 방법을 특징으로하는 샘플링 모아레 기법이 여기에 제시됩니다. 

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Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view and for its considerable potential for practical applications. Slow light photonic crystal waveguides, in particular, have played a major part and have been successfully employed for delaying optical signals1-4 and the enhancement of both linear5-7 and nonlinear devices.8-11
Photonic crystal cavities achieve similar effects to that of slow light waveguides, but over a reduced band-width. These cavities offer high Q-factor/volume ratio, for the realization of optically12 and electrically13 pumped ultra-low threshold lasers and the enhancement of nonlinear effects.14-16 Furthermore, passive filters17 and modulators18-19 have been demonstrated, exhibiting ultra-narrow line-width, high free-spectral range and record values of low energy consumption.
To attain these exciting results, a robust repeatable fabrication protocol must be developed. In this paper we take an in-depth look at our fabrication protocol which employs electron-beam lithography for the definition of photonic crystal patterns and uses wet and dry etching techniques. Our optimised fabrication recipe results in photonic crystals that do not suffer from vertical asymmetry and exhibit very good edge-wall roughness. We discuss the results of varying the etching parameters and the detrimental effects that they can have on a device, leading to a diagnostic route that can be taken to identify and eliminate similar issues.
The key to evaluating slow light waveguides is the passive characterization of transmission and group index spectra. Various methods have been reported, most notably resolving the Fabry-Perot fringes of the transmission spectrum20-21 and interferometric techniques.22-25 Here, we describe a direct, broadband measurement technique combining spectral interferometry with Fourier transform analysis.26 Our method stands out for its simplicity and power, as we can characterise a bare photonic crystal with access waveguides, without need for on-chip interference components, and the setup only consists of a Mach-Zehnder interferometer, with no need for moving parts and delay scans.
When characterising photonic crystal cavities, techniques involving internal sources21 or external waveguides directly coupled to the cavity27 impact on the performance of the cavity itself, thereby distorting the measurement. Here, we describe a novel and non-intrusive technique that makes use of a cross-polarised probe beam and is known as resonant scattering (RS), where the probe is coupled out-of plane into the cavity through an objective. The technique was first demonstrated by McCutcheon et al.28 and further developed by Galli et al.29

Use of photonic crystal slow light waveguides and cavities has been widely adopted by the photonics community in many differing applications. Therefore fabrication and characterization of these devices are of great interest. This paper outlines our fabrication technique and two optical characterization methods, namely: interferometric (waveguides) and resonant scattering (cavities).

광자 크리스탈 느린 경 Waveguides 그리고 안의 공간의 제조 및 특성

Slow light has been one of the hot topics in the photonics community in the past decade, generating great interest both from a fundamental point of view ...

연구

공학

Measuring Material Microstructure Under Flow Using 1-2 Plane Flow-Small Angle Neutron Scattering

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is presented. The SANS shear cell consists of a concentric cylinder Couette geometry that is sealed and rotating about a horizontal axis so that the vorticity direction of the flow field is aligned with the neutron beam enabling scattering from the 1-2 plane of shear (velocity-velocity gradient, respectively). This approach is an advance over previous shear cell sample environments as there is a strong coupling between the bulk rheology and microstructural features in the 1-2 plane of shear. Flow-instabilities, such as shear banding, can also be studied by spatially resolved measurements. This is accomplished in this sample environment by using a narrow aperture for the neutron beam and scanning along the velocity gradient direction. Time resolved experiments, such as flow start-ups and large amplitude oscillatory shear flow are also possible by synchronization of the shear motion and time-resolved detection of scattered neutrons. Representative results using the methods outlined here demonstrate the useful nature of spatial resolution for measuring the microstructure of a wormlike micelle solution that exhibits shear banding, a phenomenon that can only be investigated by resolving the structure along the velocity gradient direction. Finally, potential improvements to the current design are discussed along with suggestions for supplementary experiments as motivation for future experiments on a broad range of complex fluids in a variety of shear motions.

A shear cell is developed for small-angle neutron scattering measurements in the velocity-velocity gradient plane of shear and is used to characterize complex fluids. Spatially resolved measurements in the velocity gradient direction are possible for studying shear-banding materials. Applications include investigations of colloidal dispersions, polymer solutions, and self-assembled structures.

1-2 평면 흐름 - 작은 각 중성자 산란을 이용하여 재료 미세 조직에서 유량을 측정

A new small-angle neutron scattering (SANS) sample environment optimized for studying the microstructure of complex fluids under simple shear flow is ...

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing its free spectral range (FSR), the module is put in parallel with a fiber taper-microcavity system and then calibrated through isolating and eliminating random shifts in the laser frequency (i.e. laser jitter noise). To realize the taper-microcavity junction and to maximize the optical power that is transferred to the resonator, a single-mode optical fiber waveguide is pulled. Solutions containing polystyrene nanobeads are then prepared and flown to the microcavity in order to demonstrate the system&#8217;s ability to sense binding to the surface of the microcavity. Data is post-processed via adaptive curve fitting, which allows for high-resolution measurements of the quality factor as well as the plotting of time-dependent parameters, such as resonant wavelength and split frequency shifts. By carefully inspecting steps in the time-domain response and shifting in the frequency-domain response, this instrument can quantify discrete binding events.

A reference interferometer technique, which is designed to remove undesirable laser jitter noise for nanodetection, is utilized for probing an ultra-high quality factor microcavity. Instructions for assembly, setup, and data acquisition are provided, alongside the measurement process for specifying the cavity quality factor.

Nanodetection에 대한 참조 간섭계의 구현

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus have potential applications in nonlinear optics, which requires extraordinary optical intensity. One of the most studied nonlinearities in plasmonics is nonlinear absorption, including saturation and reverse saturation behaviors. Although scattering and absorption in nanoparticles are closely correlated by the Mie theory, there has been no report of nonlinearities in plasmonic scattering until very recently. 
Last year, not only saturation, but also reverse saturation of scattering in an isolated plasmonic particle was demonstrated for the first time. The results showed that saturable scattering exhibits clear wavelength dependence, which seems to be directly linked to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Combined with the intensity-dependent measurements, the results suggest the possibility of a common mechanism underlying the nonlinear behaviors of scattering and absorption. These nonlinearities of scattering from a single gold nanosphere (GNS) are widely applicable, including in super-resolution microscopy and optical switches. 
In this paper, it is described in detail how to measure nonlinearity of scattering in a single GNP and how to employ the super-resolution technique to enhance the optical imaging resolution based on saturable scattering. This discovery features the first super-resolution microscopy based on nonlinear scattering, which is a novel non-bleaching contrast method that can achieve a resolution as low as l/8 and will potentially be useful in biomedicine and material studies.

Saturable and reverse saturable scattering were discovered in isolated plasmonic particles and adopted as a novel non-bleaching contrast method in super-resolution microscopy. Here the experimental procedures of detecting and extracting nonlinear scattering are explained in detail, as well as how to enhance resolution with the aid of saturated excitation microscopy.

단일 플라즈몬 나노 입자에서 비선형 산란 측정

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform Poly(N-isopropylacrylamide) Microgels

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this work, we use single particle tracking of fluorescently labeled PNIPAM microgels as a showcase for tuning microgel size by a rapid non-stirred precipitation polymerization procedure. This approach is well suited for prototyping new reaction compositions and conditions or for applications that do not require large amounts of product. Microgel synthesis, particle size and structure determination by dynamic and static light scattering are detailed in the protocol. It is shown that the addition of functional comonomers can have a large influence on the particle nucleation and structure. Single particle tracking by wide-field fluorescence microscopy allows for an investigation of the diffusion of labeled tracer microgels in a concentrated matrix of non-labeled microgels, a system not easily investigated by other methods such as dynamic light scattering.

Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform PolyN-isopropylacrylamide Microgels

Non-stirred precipitation polymerization provides a rapid, reproducible prototyping approach to the synthesis of stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) microgels of narrow size distribution. In this protocol synthesis, light scattering characterization and single particle fluorescence tracking of these microgels in a wide-field microscopy setup are demonstrated.

제어 합성 및 매우 균일 한 폴리 형광 추적 (<em&gt; N</em&gt; 이소 프로필 아크릴 아미드) 미크로 겔

Stimuli-sensitive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels have various prospective practical applications and uses in fundamental research. In this ...

화학

Measurement of Particle Size Distribution in Turbid Solutions by Dynamic Light Scattering Microscopy

A protocol for measuring polydispersity of concentrated polymer solutions using dynamic light scattering is described. Dynamic light scattering is a technique used to measure the size distribution of polymer solutions or colloidal particles. Although this technique is widely used for the assessment of polymer solutions, it is difficult to measure the particle size in concentrated solutions due to the multiple scattering effect or strong light absorption. Therefore, the concentrated solutions should be diluted before measurement. Implementation of the confocal optical component in a dynamic light scattering microscope1 helps to overcome this barrier. Using such a microscopic system, both transparent and turbid systems can be analyzed under the same experimental setup without a dilution. As a representative example, a size distribution measurement of a temperature-responsive polymer solution was performed. The sizes of the polymer chains in an aqueous solution were several tens of nanometers at a temperature below the lower critical solution temperature (LCST). In contrast, the sizes increased to more than 1.0 &#181;m when above the LCST. This result is consistent with the observation that the solution turned turbid above the LCST.

A protocol for the direct measurement of particle size distribution in concentrated solutions using dynamic light scattering microscopy is presented.

A protocol for measuring polydispersity of concentrated polymer solutions using dynamic light scattering is described. Dynamic light scattering is a ...

Measurement of Quantum Interference in a Silicon Ring Resonator Photon Source

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit manipulation, and integrated single-photon detectors. Here, we present the key aspects of preparing and testing a silicon photonic quantum chip with an integrated photon source and two-photon interferometer. The most important aspect of an integrated quantum circuit is minimizing loss so that all of the generated photons are detected with the highest possible fidelity. Here, we describe how to perform low-loss edge coupling by using an ultra-high numerical aperture fiber to closely match the mode of the silicon waveguides. By using an optimized fusion splicing recipe, the UHNA fiber is seamlessly interfaced with a standard single-mode fiber. This low-loss coupling allows the measurement of high-fidelity photon production in an integrated silicon ring resonator and the subsequent two-photon interference of the produced photons in a closely integrated Mach-Zehnder interferometer. This paper describes the essential procedures for the preparation and characterization of high-performance and scalable silicon quantum photonic circuits.

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum systems. Presented here is a method for preparing and testing a silicon photonic chip for quantum measurements.

실리콘 링 공진기 광자 소스에서 양자 간섭 측정

Silicon photonic chips have the potential to realize complex integrated quantum information processing circuits, including photon sources, qubit ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Full-field Strain Measurements for Microstructurally Small Fatigue Crack Propagation Using Digital Image Correlation Method

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the growth of microstructurally small fatigue cracks. The proposed strain field analysis methodology is based on the use of a unique pattering technique with a characteristic speckle size of approximately 10 &#181;m. The developed methodology is applied to study the small fatigue crack behavior in body centered cubic (bcc) Fe-Cr ferritic stainless steel with a relatively large grain size allowing a high spatial measurement accuracy at the sub-grain level. This methodology allows the measurement of small fatigue crack growth retardation events and associated intermittent shear strain localization zones ahead of the crack tip. In addition, this can be correlated with the grain orientation and size. Thus, the developed methodology can provide a deeper fundamental understanding of the small fatigue crack growth behavior, required for the development of robust theoretical models for the small fatigue crack&#160;propagation in polycrystalline materials.

Microstructurally small fatigue crack growth behavior is investigated using a novel methodological approach combining crack growth rate measurement and strain-field analysis to reveal the cumulative deformation field at sub-grain level.

A novel measurement approach is used to reveal the cumulative deformation field at a sub-grain level and to study the influence of microstructure on the ...

Spectral and Angle-Resolved Magneto-Optical Characterization of Photonic Nanostructures

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by local enhancement of electric field intensity that strengthens light-matter interactions, enabling applications such as surface-enhanced Raman scattering (SERS) and surface plasmon enhanced sensing. In the presence of magneto-optically active materials, the local field enhancement gives rise to anomalous magneto-optical activity. Typically, the confined modes of a given photonic crystal depend strongly on the wavelength and incidence angle of the incident electromagnetic radiation. Thus, spectral and angular-resolved measurements are needed to fully identify them as well as to establish their relationship with the magneto-optical activity of the crystal. In this article, we describe how to use a Fourier-plane (back focal plane) microscope to characterize magneto-optically active samples. As a model system, here we use a plasmonic grating built out of magneto-optically active Au/Co/Au multilayer. In the experiments, we apply a magnetic field on the grating in situ and measure its reciprocal space response, obtaining the magneto-optical response of the grating over a range of wavelengths and incident angles. This information enables us to build a complete map of the plasmonic band structure of the grating and the angle and wavelength dependent magneto-optical activity. These two images allow us to pinpoint the effect that the plasmon resonances have on the magneto-optical response of the grating. The relatively small magnitude of magneto-optical effects requires a careful treatment of the acquired optical signals. To this end, an image processing protocol for obtaining magneto-optical response from the acquired raw data is laid out.

Photonic band structure enables understanding how confined electromagnetic modes propagate within a photonic crystal. In photonic crystals that incorporate magnetic elements, such confined and resonant optical modes are accompanied by enhanced and modified magneto-optical activity. We describe a measurement procedure to extract the magneto-optical band structure by Fourier space microscopy.

광나노구조체의 스펙트럼 및 각도 해결 된 자기 광학 특성 분석

Photonic crystals are periodic nanostructures that can support a variety of confined electromagnetic modes. Such confined modes are usually accompanied by ...