改进型共同光路外差干涉对粗糙度的测量.doc

改进型共同光路外差干涉对粗糙度的测量李祥 王佳 赵洋 李达成 曹芒摘要 一种用于测量轮廓和粗糙度的光外差系统已经研究成熟。我们采用了多种先进的技术。整个光学系统采用共同光路，可以排除样本震动和热漂移的影响。利用一种先进镜片分别形成参考光束和信号光束。运用位相对比技术对检测信号进行处理来提高测量精度。开发出来的本光学系统将会成为塞曼效应激光干涉仪的重要部件。关键词 粗糙度测量，共同光路，外差干涉仪1. 简介当前已经研究出来多种光外差轮廓仪。并且为了去除震动引起的光学相位的震动，已经开发出了光学准直共同光路系统1,2。在这个系统中，使参考光束和信号光束同轴投射到测量样本，并且震动对这两束光的影响是同样的，因而可以消除震动的影响。但是在参考臂和测量臂之间由于热漂移和机械不稳定的影响是无法克服的，所以我们需要利用参考光束和信号光束共光路来克服这些影响。 塞曼激光干涉仪在位移、平整度等测量方面有广泛的应用，光外差轮廓仪将会作为塞曼激光干涉中实用的、经济的、精密的部件被研究，并使其具有描述表面特征的能力。2. 光学共光路系统本光学系统的光路图见图1。He-Ne激光器作为光学系统的光源，并且它可以提供稳定的线偏振光。电光调制器和偏振片将会把光束分成为和两束不同频率的线偏振光。这两束光经过分光镜PBS1后被分开，频率为的测量光聚焦于样本。参考光通过物镜后也直接同轴的照射于样本，经过四分之一偏振片两线偏振光会产生90的偏转。测量光通过参考臂返回，而参考光则通过测量臂返回，这两束光在PBS1再次相交。此时，测量光的直径是参考光直径的倍，其中 是扩展光束器的扩展倍数。输出的中信号1为测量信号，信号2为参考信号。 塞曼激光器可以代替上面所用的激光源，声光调频器和偏振片。因此，塞曼激光干涉仪就是利用这种光学系统进行物体表面粗糙度和轮廓的测量。图1 共光路激光干涉仪设计图3. 目标更改 如图1，测量光聚焦到物镜，参考光直接透过物镜，而且通过改进后的物镜聚焦到一起。如图2所示，三种不同的聚焦物镜。在图2（a）中,物镜上有一个小孔，参考光通过小孔，扩展的测量光会被聚焦。在组合镜头上打孔是有难度的，所以在一个表面是非球面的透镜或者一个有梯度的透镜上打孔是一个很好的选择。在图2（b）中，两个光滑的表面放于透镜的中心部分并且形成能对参考光校准的玻璃透镜。在图2（c）中，一个小的透镜置于物镜上方。通过这两个透镜对参考光进行校准。衍射光通过改进的物镜就像透过普通透镜，就如图3所示图2 聚焦物镜OBJ：物镜；1：参考光束；2：测量光束衍射强度公式为： （1）式中：， （2）已知a是物镜的直径，b是小孔的直径，是衍射角，是贝塞尔函数。A是一个常量。图3 物镜衍射强度分布将改进后的物镜与具有相同直径a和焦距f的普通透镜相比，中心点的强度由下式决定，并且一些标准是和参数有关的，其关联如表1 (3)且爱里斑的半径由下式决定： (4)其中，参数与的比值相关。表1列出了与不同的以及普通透镜数值关系根据表1，可以很明显改进物镜的聚焦能力基本和普通物镜一样。比如，当直径为10mm,焦距10mm，小孔直径为0.5mm的物镜能被测量光完全照射，焦距为0.774. 操作原理及相位对比技术当测量光束和参考光束返回到物镜1时，他们的光场分别是： (5) (6)式中、为振幅、为初始相位测量臂中热漂移引起的相位变化参考臂中热漂移引起的相位变化测量点的相位变化测量光平均相位变化共振引起的共同相位变化检测器的输出与光强是成比例的： （7）只有当频率信号能够被检测到时，可以得到测量信号为： （8）2号检测器中的输出信号为： （9）V1和V2的位相差为： （10）则相对表面高度可以表示为不同位相的函数： （11）因而，我们可以通过对比测量信号和参考信号的位相变化来得到表面轮廓。消除了样本的震动引发了位相变化，以及在参考臂和测量臂之间的由热漂移产生的和 。根据公式（11），所求分辨率由相位比较的能力来决定。假设相位比较的分辨率为0.1，则我们可以很容易得到高度分辨率为0.1nm。5. 结论一种不需要参考平面的表面轮廓测量的光学干涉系统已经诞生。这种系统的横向分辨率可达到1.5，同时理论上的高度分辨率0.1nm。样本震动的影响和系统热漂移的影响都可以通过共光路系统来解决。这种系统设计简单，体积较小，容易矫正。改进的物镜能够确保有能力聚焦参考光束和调准信号光束。整个光学将会成为塞曼效应激光干涉仪的重要部件。6. 参考文献1. C. C. Huang. Optical heterodyne profilometer .Optical Eugineering, 1984, 23(4): 365-3702.D.Pantzer,J.Politch,Leif Heterodyne profiling instrument for the angstrom region.Appl,Opl.1986,15:4168-41727. 个人简介李祥，生于1966年10月5日，获得工程学士学位，1989获得清华大机密仪器