（测试计量技术及仪器专业论文）自稳程双光束探测干涉仪的设计.pdf

浙江大学颂l ：学位论文 摘要 摘要 为了研究压电薄膜的特性，常常需要测量电场作用下薄膜厚度的变化。因为薄 - - _ _ - - _ 一 膜的厚度很小，不能施加太高的电压，过高的电压会击穿薄膜，所以一般在电压驱 动下其厚度的变化处于a 的量级。为了检测这么小的形变，必须使用干涉检测的方 法。m i c h e l s o n 干涉仪结构简单，最早被用来检测压电薄膜厚度的变化。但是由于这 种方法只探测样品的一个表面，无法消除测量中的基底弯曲效应。 所以，设计了一种基于m a c h - z c n d e r 结构的双光束探测干涉仪来研究压电薄膜 的压电响应。这种方法中，探测激光探测样品的两个主面，可有效消除基底弯曲效 应。为了补偿光程差的低频漂移，将工作点稳定在灵敏度最高点，使用一个反馈控 制系统驱动微位移器调攘参考平面镜。使用锁相放大器提供驱动信号，并同时检测 对应于样品形变的输出信号。计算机通过r s 2 3 2 接口与锁相放大器通信，控制测量 的全过程。开发了用于压电材料的嘎皇丕錾测量和铁电材料蝴蝶曲线测绘的软件。 所以，整个系统构成一个自动检测系统，其工作频率范围是1 k 1 0 2 k h z ，最小可探 测位移达0 3 p m 。 浙江人学顿l 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t oi n v e s t i g a t et h ep r o p e r t i e so f p i e 撇l c c 试ct h i nf i l m s ，i ti so f t e nr e q u i r e dt om e , a s u r e t h ee l e c t r i cf i e l d i n d u c e dd i s p l a c e m e n t si nt h e m 1 1 l ed i s p l a c e m e n t sl i ei nt h ea r a n g ed u e t ot h el o wd r i v i n gv o l t a g e n l ed r i v i n gv o l t a g ec a n tb et o oh i g hb e c a ) t l s eo ft h es m a l l t h i c k n e s so f t h ef i l m s t 0 0h i g hv o l t a g em a y d e s t r o yt h e m i n t e r f e r o m e t r i ct e c h n i q u em u s t b e a p p l i e d t om e a s u r es oi o wd i s p l a c e m e n t s m i c h e l s o ni n t e r f e m m e t e rh a sa s i m p l e s t r u c t u r e , a n di sa p p l i e de a r l i e s t b u tt h eb e n d i n ge f f e c to ft h es u b s t r a t ec a n tb ea v o i d e d h e , c a u s e o n l y o n es u r f a c eo f t b e s a m p l e i sm o n i t o r e di nt h i sm e t h o d s oad o u b l eb e a ml a s e ri n t e r f e m m e t e rb a s e do nm a c h z e n d e rs i 砷】巾它i sb u i l tu dt o s t u d yt h ep i e z o e l e c t r i cr e s p o n s e so fp i e z o e l e c t r i ct h i nf i l m s n 坞b e n d i n ge f f e c to ft h e s u b s t r a t ei se l i m i n a t e de f f e c t i v e l yb e c s u s eb o t hm a j o rs u r f a c e so ft h es a m p l ea r ed e t e c t e d b yt h ep r o b i n gl a s e rb e a mi nt h i sm e t h o d t oc o m p e n s a t ef o rl o w - f r e q u e n c yd r i f to f t h e o p t i c a lp a t h - l e n g t hd i f i e l e n c ea n dt ok e e pt h eo p e r a t i o np o i n to nt h em o s ts e n s i t i v ep o i n t , t h er e f e r e n c em i r r o ri sa d j u s t e dw i t haa c h 壕1 0 fd r i v e nb yaf e e d b a c kl o o p al o c k - i n a m p l i f i e r i su s e dt os u p p l yt h ed r i v i n gs i g n a la n dt od e t e c tt h eo u t p u ts i g n a lc o r r e s p o n d i n g t ot h e s a m p l e s s t r a i n ac o m p u t e rc o n t r o l st h ew h o l ep r o c e s so fm 蝴e n t s b y c o m m u n i c a t i n g w i t ht h el o c k i n a m p l i f i e r v i ar s 2 3 2i n t e r f a c e a n d p r o g r a m s a i d e v e l o p e df o rp i e z o e l e c t r i cc o e f f i c i e n tm e a s u r e m e n ta n db u t t e r f l yc u r v em e a s u r e m e n t s o t h e s y s t e mi s a l la u t o m a t i ct c s t s y s t e m w i t ho p e r a t i o nf r e q u e n c i e sb e t w e e nl k h za n d 1 0 2 k h z a n dt h em j n i m u n ld i s p l a c e m e n tt h a t 啪b ed e t e c t e di sa 3s m a l la s0 3 p r o i i l 浙江人学硕士学位论文致谢 致谢 本论文是在导师施柏煊教授的悉心指导下完成的。在研究生学习和科研期间， 施教授不但给了我精心的指导和大力支持，而且，在生活上也给了我无微不至的关 怀。这些都是课题和论文得以顺利完成的保证。导师的渊博知识和丰富的实验经验， 让我受益匪浅；导师待人热情，乐于帮助年轻人成长，在科研和人生道理方面都给 了我很多教诲，这将使我终身受益。在此，谨向导师施柏煊教授表示深深的敬意和 衷心的感谢! 课题的主要部分是在香港理工大学应用物理系完成的。在此期间，我也获益于 陈王丽华教授的支持和指导。在港学习和工作期间，得到了众多老师和朋友的帮助， 在此谨向他们表示衷心的感谢! 感谢王冰博士帮忙制作样品和协助系统调试! 感谢 胡俊辉博士在生活上的关心和帮助! 感谢李彩风老师在我进实验室学习期间给我的长期教导和关怀l 也感谢严惠民教授帮我解答了很多课题中的疑惑，从他的解答中，我受到了更 多的启发! 感谢我的父亲和母亲，感谢他们对我二十多年的养育之恩! 为了供我读书，他 们背负着沉重的负担。我的每一份成绩都饱含父母的心血，是他们在默默奉献、支 持着我。 最后，我要感谢我的母校浙江大学，感谢我的所有老师和同窗们，我曾得到他 们无私的帮助和支持。感谢评审论文的各位专家，谢谢他们的宝贵意见! 黄傲 二o o 二年一月于求是园 浙江人学硕i ：学位论文 绪论 绪论 1 课题的背景和意义 近年来，对薄膜形式的压电、铁电材料特性研究越来越多，这是因为其应用范 围不断扩大，如微位移器、微传感器、超声马达等。压电或铁电材料可以实现电能 和机械能之间的互相转化，人们不仅在研究其应用，还在努力研究合成各种新型压 电材料。无论是应用还是研究新型材料，都必须精确测定压电材料的特性。为了了 解材料的压电或铁电特性，常常需要确定在特定电场下材料的形变量，例如测定压 电材料的压电系数和铁电材料的电滞回线( 蝴蝶曲线) 。 通常，在电场作用下，压电或铁电材料样品所能产生的形变量是极小的，特别 对于薄膜材料，都处于a 的量级。精确测量这么小的形变，需要使用光学干涉法。 但是，薄膜总是沉积在基底( 一般是s i 片) 上的，当薄膜在电场驱动下振动时，也 必然拉动基底弯曲。这样薄膜和基底一起振动，相当于一个双压电晶片，其振动幅 度有时甚至能超过薄膜本身厚度变化一个数量级! 本课题中设计的双光束探测干涉 仪，就是要在消除基底弯曲效应的前提下，精确的测量薄膜的厚度变化。 2 课题任务和论文的主要内容 在交流电场作用下，压电或铁电薄膜的厚度也交替变化，形成振动，为了研究 压电或铁电特性。需要测量其振幅，因为振动幅度很小，所以常被称为微振幅；薄 膜厚度的变化本身是一种表面位移，有时也称微位移。这两种说法含义相同，在论 文里不加区分。所以，课题任务的实质是设计一测量微振幅的系统，并将其用于测 量压电或铁电薄膜特性。 论文详细论述了双光束探测干涉仪的设计和实现，主要内容如下： 第章：晶体的压电性和铁电性，介绍有关材料学的基本知识，以便展示课题 的应用背景； 第= 章；微位移的激光干涉法测量，介绍激光干涉法测量微位移的原理以及测 量薄膜样品时的特定考虑： 第三章：双光束探测干涉仪原理。分析双光束探测干涉仪原理和基底弯曲效应 消除的原理； 浙江人学硕j 学位论文第一章晶体的压电性和铁电性 1 i 压电效应 第一章晶体的压电性和铁电性 在电场的作用下，电介质中的带电粒子可以发生相对位移而使电介质发生极化。 然而，对于某些电介质晶体，当沿着晶片的某些方向施加作用力而使晶片产生形变 后，也会导致晶体发生极化，在晶体两端表面出现等量的正、负电荷，其电荷密度 与外力成正比。这种由于机械力的作用引起形变而激起晶体表面电荷的效应，称为 正压电效应。晶体的这一性质称为压电性，最早在1 8 8 0 年由法国的两位科学家 居里兄弟在。石英晶体( 水晶) 上发现的。反之，如果将一块压电晶体置于外电场 中，由于电场作用，晶体内部正负电荷中心发生位移，这一极化位移又会导致晶体 发生形变，这个效应称位逆压电效应。正压电效应和逆效应是一一对应的，压电晶 矗画血固亍 ( b ) 图1 1 1 压电效应示意图 ( a ) 正压电效应( b ) 逆压电效应 ( 实线代表形变前，虚线代表形变后) 体必然既有正压电效应又有逆压电效应。压电效应示意图如图1 1 1 。 晶体的压电效应可以用图1 1 2 来解释。图1 1 2 ( a ) 表示压电晶体中质点在某方 向上的投影。此时，晶体不受外力作用，正负电荷重心熏合，整个晶体的总电矩等 非三忙 ( b ) 图1 1 2 压电效应产生机理示意图 ( c ) 于零，因而晶体表面没有电荷。但是，当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体就 会由于发生形变而导致了正负电荷重心不重合，也就是电矩发生了变化，从而引起 e、甲弋 疑 浙江大学硕，l 学位论文 第一章晶体的压电性和铁电性 了晶体表面的荷电现象。图1 1 2 ( b ) 表示晶体受压缩时荷电的情况；图1 1 2 ( c ) 表示拉 伸时的荷电情况。在这两种情况下，晶体表面带电的符号相反。 由此可知，晶体是否具有压电性，是由晶体的结构对称性这个内因制约的。具 有对称中心的晶体永远不可能具有压电性，因为在这样的晶体中，正负电荷的中心 对称式排列不会因形变而遭到破坏。所以，仅仅由机械力的作用并不能使它们的正 负电荷重心之间发生不对称的相对位移，也就是不能使之产生极化。 1 2 铁电晶体 有些晶体，在某温度范围内具有自发极化，而且其自发极化的强度可以因外电 场而反向，这类晶体被称为铁电晶体。同铁磁体具有磁滞回线相似，铁电体具有电 滞回线。 通常，一个铁电体并不是在一个方向上单一地产生自发极化的，而是有许多类 似孪晶的区域，这些区域称为铁电畴。在一个铁电畴内，自发极化的方向是一致的。 一块铁电体往往是多畴的，但有时也会出现单畴晶体。施加一个相当强的电场，可 以使一个多畴晶体变成单畴晶体，或者可以使单畴晶体的自发极化方向反向。铁电 体的一个重要物理特性就是电滞回线，或者说极化强度p 表现为电场e 的双值函数。 jl p j 形b c 。 j 图i 2 1 铁电体的电滞回线 为简要说明电滞回线，这里只考虑单晶体的电滞回线，并设极化强度的取向只有两 种可能( 即沿某轴的正向或负向) ，如图1 2 1 所示。在没有外加电场存在时，晶体 的总电矩为零。当有电场施加于晶体时，含有沿电场方向极化强度的那些电畴变大， 而与之反向的电畴则变小。这样，极化强度随外电场增加，如0 q 段曲线所示。电场 浙江大学顿士学位论文第一章品体的压电性和铁电性 强度继续增大，最后可使晶体成为单畴，晶体的极化强度便达到饱和，这相当于图 中的b c 部分。如果电场由图中c 处开始降低，晶体的极化强度也随之减小。但在 电场为零时，仍存在剩余极化强度p ，。当反向后的电场达到垃时，剩余极化全部消 失；反向电场继续增大时，极化强度反向。e 称为矫顽电场强度。 铁电体具有一个临界温度疋，当温度高于疋时，晶体发生结构相转变，自发极 化消失，没有铁电性。称为铁电晶体的居里温度。铁电晶体在居里点以下是极性 晶体，不具有对称中心，所以必然具有压电性。前一节关于压电效应的讨论也适用 于铁电体的压电性。 1 3 压电特性的测量 1 3 1 压电常数和压电方程 如图1 3 1 ，一块状压电材料上下两面镀有电极，空间方向用下标1 、2 、3 表示。 一般极化方向是3 方向，从正极指向负极。由于压电效应，由电场e 产生的应变s 为： s = d e( 1 3 1 ) 上式为压电方程，其中d 是张量形式的压电常数。因为在一个方向臆加电场， 会产生多个方向的应变，所以应变s 是矢量，压电常数d 是张量。d 包括如、西，、如 卜i 一 图1 3 1 镀有电极的压电材料样品 等常数，其中下标第一个数字表示电场方向，第二个数字表示应变的方向。 当量度沿3 方向的应变时，应变s = a t t ，电场e = v t ，压电常数是如，所 以式1 _ 3 1 简化为： a t = d ”v ( 1 3 2 ) 压电常数表征了压电材料压电特性的强弱。在压电材料研究中，常常需要测量 t t 土 浙江人学颂士学位论文 第一章晶体的鹾电性和铁电性 如的值。本课题就是利用逆压电效应，利用激光干涉法，测得材料样品在电场作用 下的具体形变量，再反算出九的值。实际上，由于滞后效应的存在，压电常数是一 个复数，也就是说，式1 3 2 应该为： a t = d 3 3 e 印v ( 1 3 3 ) 不过在压电测量中主要关心的是幅值如，在铁电材料的压电特性测量中，因为 存在相位反转，才关心相角妒。 1 3 2 铁电材料压电特性的测量 压电响应( 由应力产生的电荷或由电场产生的形变) 与所施加的应力或者电场 成线性关系是有前提的。在相对较弱的电场 或力场作用下，极化后的压电或铁电晶体所 释放的电荷，都是由于晶胞里的正负电荷中 心发生相对位移，即电畴发生形变所产生的。 在这种情况下，它们的行为是线性的，满足 压电方程。但是在相对较强的电场或力场作 用下，电畴可能重新转向，因而释放出更多 的电荷，这事它们的行为就不是线性了。铁 电材料，存在电滞回线，在强电场作用下， 电场强度和应变之间的关系不再是线性关系。 。 l vv 一 0旷 图1 3 2 铁电材料的蝴蝶曲线 因为铁电材料的极化受外电场影响， 在不同强电场下，极化率不同。对于铁电材料，常常测量其在不同强电场作用下的 压电常数，作出它的压电常数电压曲线，这个曲线形似蝴蝶，所以又称为“蝴蝶曲 线”，这个曲线其实也反映了电滞回线的形状，如图1 3 2 所示。所以，对于压电材 料，需要测量其压电常数，对于铁电材料，需要测出它的蝴蝶曲线。 浙江人学硕j ：学位论文 第二二章微位移的激光干涉法测量 第二章微位移的激光干涉法测量 光学干涉法测量长度具有灵敏、非接触的优点，因为光的波长很小，所以其分 辨率很高。对压电材料在电场作用下的微小形变的测量，就是一种微位移的测量。 2 1 干涉法测微位移的原理分析 干涉测长的基本原理如图2 i 1 所示。z 为信号光波，五为本机振荡( 本振) 光 波，这两束平面平行的相干光，经过分光镜和可变光阑后入射到探测器表面进行混 数，形成相干光场。经探测器变换后，输出 信号中包含了产后五的差频信号。 设入射到探测器上的信号光场为： 织( f ) = h j ( 2 确懈 ( 2 1 1 ) 本振光场为： 妒l ( f ) = a l p “2 c + 妒， ( 2 1 2 ) 图2 1 1 干涉测长原理 两光束在探测器上相干后的光场强度为： ，( ，) 2 哆+ 刚眩4 - 柏 ( 2 1 3 ) = 4 ；+ 彳i + 2 a ，a l e o s ( 2 n f 。t + 妒，一妒) 光电转换输出信号电流与印) 成正比，经直流滤波后，信号电流中仅包含差频交 流项： i ( t ) = 2 k a ，a t c o s ( 2 l r f 。t + ，一l ) ( 2 1 4 ) 由上式可以看出，输出电流不仅与光波振幅成正比，而且输出电流的频率与相 位还和合成光振动频率、相位相等。因此，相干探测不仅可以探测振幅和强度调制 的光信号，还可探测频率及相位调制的光信号。 如果正= 五，即信号频率与本振频率恒等，则输出电流为： i ( t ) = 2 k a ，a _ c o s ( # ，一妒) ( 2 1 5 ) 这种相干探测的形式叫零差( h o m o d y n e ) 探测( 或称零拍探测) 。干涉法测量 微位移，就是把待测样品作为干涉仪的一个反射镜，这样样品表面产生的微小位移 就会改变信号光束的光程。从而实现对干涉光的相位调制。样品表面微位移就会体 颛江大学礤l 学位论文第二章徽位移蝌激光干涉法蔫量 现在输出电流的变化上，这样就可以计算出微位移的大小。 2 2 单光束探测干涉仪和基底弯曲效应 单光束探测干涉仪是基于m i c h e l s o n 干涉仪结构的。把m i c h e l s o n 干涉仪中的一 个反射镜用样品替换，就可以测量样品表面的微位移了。如图2 2 1 所示，样品被外 参考反 射镜 图2 2 1 单光束干涉仪示意筒图 加电压驱动，上表面产生微小位移( 一般外加交流驱动，测出样品表面振动的幅度) ， 并反映在探测光光程的变化上。这样的干涉仪因为只有一束光对样品进行探测，所 以被称为单光束探测干涉仪。 单光束干涉仪具有结构简单的优点，对于块状压电或者铁电材料，可以获得很 好的测量效果。通过使用锁相检测和伺服稳程技术( 锁相检测和伺服稳程将在本论 文后面部分详细介绍) ，可以达到很高的分辨率，可测最小微位移达到l o - 3 1 0 4 r i m 。 但是，对于薄膜样品，因为基底弯曲效应的影响，单光束干涉仪很难准确测量其压 电响应。如图2 2 2 所示，薄膜样品必然要附着在一个基底上，然后连同基底一起固 定到干涉仪样品台上进行测量。只有在样品表面振动时，基底不随之振动并且不发 生弯曲的条件下，单光束干涉仪才能准确测 霎宝差竺2 言：芝譬二要：塞三二耋：耄驱驱至三瑶压电薄膜 动电压的作用下发生形变必然要拉动基底，q _ t 荔一 使基底随之振动或者发生弯曲。单光束探测 图2 2 2 压电薄膜样品 干涉仪测得的表面微位移包含了基底振动或 者弯曲的影响。这就是压电薄膜测量中的所谓基底弯曲效应。而且，材料学的研究 表明，薄膜对基底的拉动力与驱动电压频率的平方成正比，所以，在较高频率进行 测量时，就更难以固定住基底了，弯曲效应的影响尤其显著。基底弯曲效应对压电 响应测量的影响如图2 2 3 所示。图中。、。、厶分别是干涉仪探测到的样品表面位 6 浙江大学硕l ：学位论文 第_ 二章微位移的激光干涉法测量 ( a ) ( b ) 图2 2 3 基底弯曲效应的影响 ( a ) 加电驱动前的样品 ( b ) 振动中的样品( 虚线表示 样品原厚度) 移、样品的实际厚度变化量( 实际微位移) 、基底的弯曲产生的位移。假如基底没有 弯曲效应，厶= 0 ，则厶= 厶，即干涉仪实际探测到的微位移就是样品的实际厚度 变化。实际上，假如样品加电驱动后沿z 方向的厚度减小厶，则必然x y 平面的样 品面积要变大，推动基底发生如图2 2 3 所示的弯曲。于是： l ，= l 厶一三，i ( 2 2 1 ) 这样，干涉仪探测到的是“薄膜+ 基底”的整体所产生的微位移。“薄膜+ 基底” 形成由一个主动元件( 薄膜) 和一个被动元件( 基底) 构成的系统，类似于一个双 压电晶片。在交流电压的驱动下，这个系统的振动幅度实际可能远大于薄膜本身的 振动。根据双压电晶片的准静态运动方程，可以估算基底弯曲效应对测量结果影响 的大小。考虑图2 2 3 所示的情形，假如基底没有固定到样品台上。基底的曲率半径 变化产生厶，并且： l 6 = ( l 2 i s ) ( i r i 一1 r o ) ( 2 2 2 ) 其中上是双压电晶片的有效长度，r 。、尼分别是基底发生弯曲前后的曲率半径。根 据双压电晶片的准静态运动方程，有； 厶= ( l 2 h ) 2 矾r v 瓦雨砑3 k r 丽( 1 + 丽r ) ( 2 2 3 ) 其中r = | b h ，h t f 铂h 分别是压电薄膜和基底的厚度，t 是基底和薄膜杨氏弹性模量 浙江大学顽士学位论文第二章微位移的激光干涉法测量 的比值，d ，是压电系数，y 是加在薄膜上的电压。在典型的情况下，薄膜的厚度远 小于基底的厚度式2 2 3 可以简化为： 小等 泣：舢 于是： 鱼：( 3 4 k ) ( l h ) 2 ( d 3 i d 3 3 ) ( 2 2 5 ) 厶 对于生长在s i 基底上的p z t 薄膜样品，素可以粗略估计为2 ，d 3 i d ”m - 0 4 2 ， 这样，由2 2 5 式得出： 乞刚1 6 ( 驯彬 ( 2 2 6 ) 假如l h “1 0 ( 基底的长度一般比厚度要大得多，这个假设是比较切合实际的) ，这 样基底弯曲的效应产生的位移要比实际的压电效应产生的位移高一个数量级。以上 的推导还是只对低频考虑的，在高频段，基底弯曲效应的影响更为严重。 所以，单光束系统无法消除基底弯曲效应的影响，不适合对压电薄膜进行测量。 要消除基底弯曲效应，必须对光路进行改造，设计一种能在光程上消除基底弯曲影 响的干涉仪，这就是双光束探测干涉仪。 塑翌查堂堕：! ：堂垡丝兰 第三章双光束探测干涉仪原理 第三章双光束探测干涉仪原理 双光束探测干涉仪从两面探测样品，消除了基底弯曲效应对探测光光程的影响， 从而消除了基底效应；使用反馈控制技术，将系统的工作点稳定在灵敏度最高点： 使用锁相检测技术进行窄带滤波，极大的提高了信噪比。这些使得双光束探测干涉 仪能检测出压电薄膜非常微小的压电振动。 3 1 双光束探测干涉仪示意图 双光束探测干涉仪的光路和电子装置如图3 1 1 所示。激光器发出的线偏振光， 图3 1 1 双光束探测干涉仪示意图 p b l 、p b 2 、p b 3 ：偏振分束器 l l 、l 2 、l 3 ：透镜 b s l ：分束器 经过光隔离器、，i 2 波片到达偏振分束器p b l 。在p b l ，垂直于水平面振动的光分 量被反射到p b 3 ，形成参考光束；而平行于水平面振动的光分量透过p b l ，并被透镜 l l 聚焦，穿过 4 波片，入射到样品表面，形成探测光束。探测光被样品表面反射 后，再次穿过 4 波片到达p b l 。因为探测光两次经过 4 波片，其偏振方向被旋 转9 0 。，垂直于水平方向振动，所以到达p b l 后它被p b l 反射，经过两个转折棱镜 9 浙江人学坝 。学位论文 第三三章坝光柬探测卜涉仪原理 到达偏振分束器p b 2 。同理，探测光被p b 2 反射，经l 2 聚焦，透过 4 波片，入射 到样品的另一表面，入射点正对前一表面的入射点。探测光被样品再次反射后，也 两次经过这一侧的 4 波片，偏振方向被再次旋转9 0 。，所以探测光可以穿过p b 2 ， 到达分束器b s ! 。参考光先被偏振分束器p b 3 反射，经过一个 4 波片，入射到固 定在一个微位移器上的参考平面镜。参考光被参考平面镜反射后再一次经过 4 波 片，从而其偏振方向旋转9 0 。，透过p b 3 ，经一个棱镜转折后到达b s ! ，经过b s i 。 两束光汇合，产生干涉，干涉的光强被探测器转换成电信号。样品厚度的变化将引 起干涉光强的变化，从而从干涉光强的变化中提取出样品厚度变化的信息。探测器 的输出被接入反馈控制电路，从本章后面的分析中可知，系统必须工作在灵敏度最 高的工作点，反馈控制系统就是用来稳定工作点的( 也就是稳定参考光和探测光问 的光程差) ，它通过驱动固有参考平面镜的微位移器来实现这个目标；探测器的输出 也被接入锁相放大器，进行窄带滤波检测，从而提取出微小的厚度变化信息。样品 的驱动信号来自受计算机控制的锁相放大器( 可能要经过功率放大) ；示波器用来观 察探测器的输出波形。 3 2 基底弯曲效应的消除 这种干涉仪因为探测光从前后两面探测样品而被称为双光束探测干涉仪。正是 因为探测光从前后两面探测样品，从而抵消了弯曲效应带来的光程变化。如图3 2 1 所示，当基底向上弯曲时，探测光在上表 面的光程就会减少扛，但是在下表面，探 测光的光程会增加2 工，因为探测上下两表 面的是同一束探测光，所以，探测光的总 光程不因为基底的弯曲而变化。这就消除 了基底的弯曲效应。同时，这样的光路布 图3 2 1 基底弯曲效应的消除 置，还可以提高光路抗干扰的能力，因为当外界的干扰使样品连同基底一起振动时， 上下两面产生的光程变化也互相抵消，所以最终不会引起干涉光强的变化。 3 3 锁相检测的原理 压电薄膜因为很薄，常常不能加载商电压驱动，以防止薄膜被击穿受损，所以 1 0 浙江大学_ 填1 ：学位论文第三章双光束探测f 涉仪原理 形变量很小，甚至在a 或者更小的量极，是典型的微弱信号。实际测量中，微弱信 号常常会淹没在众多的噪声中而难以检测到，只有使用锁相检测技术才能把这样微 弱的信号“捕捉”到。锁相检测的实质就是窄带滤波，用一个以被测信号频率为通 带中心、带宽极窄的滤波器对带有噪声的输入进行滤波，这样，绝大部分噪声就被 滤去，大大提高了信噪比。锁相检测技术是基于相关接收原理的弱信号检测技术。 相关接收是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算， 达到去除噪声目的的一种技术，包括自相关接收和互相关接收两种接收方式，但是 互相关接收比自相关接收抗干扰性能更优，所以用来进行锁相检测的锁相放大器中 采用的是互相关接收技术。如果待测信号的频率已知，就可在接收端发出一同样频 ，i ( t ，2 ( ，) 积分 ，i ( f ( a )( b ) 图3 3 1 互相关( a ) 和自相关( b ) 框图 率的不含噪声的“干净”的本地信号作为参考信号，将本地信号与混有噪声的输入 信号进行相关运算，就可从噪声中提取出与本地信号相同频率的有用信号，如图 3 3 1 ( a ) 所示。顺便指出，自相关与互相关的区别在于，自相关接收时本地信号直 接取自于输入信号，只是在时间上有个延迟，如图3 3 1 ( b ) 所示。 对于互相关接收，设输入信号是： ( ，) = s ( f ) 十 ( f )( 3 3 1 ) 其中门( ，) 是噪声。本地信号为： o ) = s 2 ( f )( 3 3 2 ) 则互相关函数为： r ；：( t ) = l i m a f , ：, 9 5 ，r 。 9 9 8 消光比 t p t 。 1 0 0 0 ：1 入射角度 0 。3 。 抗反射膜层多层膜，每表面r ( o 2 5 4 1 6 非偏振分柬器 双光束探测干涉仪中探测光和参考光是经过一个非偏振分束器汇合产生干涉 的。非偏振分柬器将入射光几乎均等的分成两束而不管其偏振态，如图4 1 4 所示。 图4 1 4 非偏振分束器 系统采用由n e w p o r t 公司提供的镀有抗反射膜的非偏振分束器，其主要参数如表 4 1 3 所示。 表4 1 3 非偏振分束器( n e w p o r t 公司提供) 参数 材料 波前 透过 反射 b k 7 ，a 级退火光学玻璃 扭曲x 40 6 3 2 8 r i m 蠹 t 。产4 5 土5 ( 平均) 室 r s p = 4 5 s ( 平均) 抗反射膜层多层膜，每表面r ( o 2 5 4 1 7 波片 系统中使用的波片有_ 2 和 4 波片，皆起旋转光的偏振面的作用。所有波片 皆采用n e w p o r t 公司提供的零阶精密波片。对于 n 波片( n 为整数，如1 、2 、4 ) ， 沿其快、慢轴振动的偏振光经过波片后，引起的光程差为： 9 浙江大学硕i ：学位论文 第四章光路和机构设计 l = ( m + 1 ，”) 旯( 4 1 1 ) 其中m 为整数，州称为波片的阶。m = o 时就是零阶波片；m o 时为多阶波片。零 阶波片相比于多阶波片有很多优点，例如根据4 1 1 式，有： i d l ；m + l 拧 ( 4 1 2 ) 一l 所以多阶波片对于波长变化的敏感性是零阶波片的疗m + 1 倍。实际上，多阶波片对 于波片放蜀时倾斜的敏感度、对于温度变化的敏感度都比零阶波片大。所以我们采 用了零阶波片，其参数如表4 1 4 所示。 表4 1 4 波片( n e w p o r t 公司提供) 参数 延迟材料双折射聚合薄膜 对应波长 6 3 2 8 r i m 延迟 准确度 波前扭曲 5 固6 3 2 8 r i m 入射角度 9 。 抗反射膜层多层膜，每表面r ( o 5 4 1 8 聚焦透镜 样品两边需要两个透镜将探测光聚焦到样品表面。我们在实验中发现这两个透 镜的表面反射光对于干涉光强的稳定性有很大影响。原因是透镜表面的反射光和样 品表面的反射光会产生干涉。所以这两个透镜采用镀抗反射膜的透镜，根据系统设 计的尺寸，选择其焦距为6 2 9 r a m 。透镜也有n e w p o r t 公司提供。 4 1 9 光路布置中应该注意的问题 a 全反射对光线偏振态的改变 系统中五2 波片是用来调整s 光和p 光的相对强度，从而调整参考光和探测光 的相对强度，使干涉条纹可见度达到最高的。所以，为了得到最大的调节范围，入 射到五2 波片的光束最好是线偏振光。但是激光器发出的线偏振光，经隔离器后( 仍 是线偏振光) 需要经过一个全反射棱镜。根据物理光学的知识，全反射有可能在入 射光s 分量和p 分量间引起一定的相位差，这样反射光将变成椭圆偏振光。相位差 的大小由式4 1 3 决定： 浙江人学颂j ：学位论文第四章光路和机构设计 喀害= 孵学= c o s 8 正丽s i n 2 r 6 - n 2 ， 其中文、占。分别是占光和p 光在全反射时的位相跃变，0 是入射角，一是折射率的倒 数。当入射角等于临界角时，即s i n o = 行，s 光和p 光位相跃变差为零，反射光仍是 线偏振光。但是实际使用器件时，为了确保全反射，一般入射角是大于临界角的， 所以反射光中s 光p 光就有一定的相位差( 占0 或疗) ，反射光将变成椭圆偏振光。 为了避免这种情况，可以调整入射光的振动面，使全反射棱镜的入射光( 即隔离器 的出射光) 的振动与入射面平行或垂直，这时入射光将只有p 光或s 光，这样反射 光就仍然是线偏振光。所以，安装激光器和隔离器时，应调整好使来自激光器的线 偏光经隔离器旋转4 5 。后正好在水平或竖直面内振动，即应旋转激光器，使其布儒 斯特窗的方向与水平面成4 5 。，如图4 1 5 所示。 图4 1 5 激光器和隔离器的安装 b 探测臂中透镜和a ，4 波片的位置次序 探测臂中样品两边有两个聚焦透镜，用来将探测光聚焦到样品表面；两个旯，4 波片用来旋转探测光偏振方向。实验中发现，透镜的表面反射光会和样品表面反射 光发生干涉，从而使到达探测器的探测光光强不稳定。为了减少透镜表面反射光的 影响，我们采用了镀抗反射膜透镜。但是，如果合理安排透镜和a ，4 波片的位置， 就可以避免透镜表面的反射光进入探测器，从而更好的减少透镜表面反射光的影响。 将五4 波片和透镜按图4 1 1 所示的次序摆放，则透镜表面的反射光不会经过a 4 ， 其振动方向不会被旋转9 0 。，这样透镜表面的反射光就与样品表面的反射光分离，在 样品左侧，透镜表面反射光穿过偏振分束器，沿原光路返回光隔离器而被阻挡；在 样品右侧，透镜表面反射光被偏振分束器再次反射，也沿原光路折回，不会与样品 表面反射光一起穿过偏振分束器。相反，如果将a ，4 波片和透镜位置对调，则透镜 浙江大学_ 颐：学位论文第四章光路和机构设计 表面反射光就和样品表面反射光混合在一起，使最终的干涉光强不稳定。 c 参考臂光程和探测臂光程应尽量相等 虽然所用的激光光源相干长度很长，但是本着精益求精的目的，光路布置时应 尽量使参考光和探测光光程相等，以获得最佳的干涉效果，同时也应尽量减小光路 长度。 d 严格安装器件 一般光学系统中，对于正入射，都要稍微偏离一点，以防止反射光沿原光路进 入激光器。但是我们的系统中采用了光隔离器，能有效隔离来自后续光路的各种杂 光。所以，所有器件都可以按照理论位置和角度安装，不必偏离角度，这也提高了 系统的精度。 4 2 调节机构设计 4 2 1 探测臂导轨及样品台 如图4 1 1 所示，两透镜将探测光束聚焦到样品的两面，透镜的焦距是固定的， 但样品的厚度是变化的，所以透镜必须能够沿着光线方向移动，以调整焦点的位置。 所以探测臂里设计了一个导轨，透镜架、a ，4 架都安装在这个导轨上，可以沿导轨 移动，导轨和光线平行。并且，为了方便确定焦点位置，导轨上安装有游标尺。 样品被探测点应该正好落在透镜的焦点上，并且探测光正入射到样品表面。所 以样品台设计成可沿x 、y 、z 方向平移。并可绕y 、z 轴旋转以调整样品倾角。如图 4 2 1 所示。样品台由一个测量显微镜架改造而成。探测臂实物照片( 包括导轨、样 品台等) 如图4 2 2 所示。 图4 2 1 样品台调整示意图 浙江大学硕l ：学位论文 第四章光路和机构设计 图4 2 2 探测臂实物照片 4 2 2 参考光调节及非偏振分束器台 根据空间几何分析，要使参考光和探测光经过非偏振分束器后，共线产生干涉， 在非偏振分束器处，两束光线必须相交，然后才能通过调整非偏振分束器的空问倾 角使从非偏振分束器出射的两束光重台发生干涉。探测光的方向是固定的，无法调 图4 2 3 调整参考光与探测光相交 器 浙江人学硕l ：学位论文第四章光路和机构设计 整，所以必须调整参考光使之与探测光在非偏振探测器处相交。如图4 2 3 所示， 将参考臂中转折棱镜台设计成可绕x 、y 、z 轴转动。这样就可以调节进入非偏振分 束器的参考光的高度和方向。使之与探铡光相交。需要说明的是，机构设计已保证 两束光基本能够相交，一般只需微调转折棱镜台即可。 探测光和参考光的相交点还必须落在非偏振分束器的反射斜面上，这样参考光 经斜面反射后才有可能与出射探测光重合。如图4 2 4 所示，必须平移非偏振分束器， 才能使探测光和参考光重合。另外，还需要调整非偏振分柬器的空间角度，使参考 柬器 图4 2 4 非偏振分束器台的调节 光被反射后的方向与探测光完全一致，所以，非偏振分束器台还必须能绕x 、y 、z 轴旋转调节。 综上所述，为了使探测光、参考光在经过非偏振分束器后完全共线干涉，需要 调节参考臂转折棱镜台、非偏振分束器台。调节机构是按照以上分析设计的。 浙江大学硕 学位论文 第五章光电转换系统的设计 第五章光电转换系统的设计 5 1 光电转换系统的组成 干涉仪的干涉光强是光信号，包含着样品的形变信息，光信号必须经过光电转 换变成电信号后才能被处理。光电转换的过