CN201043884Y - 全光纤斐索干涉共焦测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于微纳器件的表面形貌和层面厚度进行高精度测量的全光纤斐索干涉共焦测量装置，构成为：第一半导体激光器和第二半导体激光器的输出端分别和光纤合波器的第一端口、第二端口相连，该光纤合波器的第三端口和光纤导光元件的第一端口相连，该光纤导光元件的第三端口和探头光纤相连，该探头光纤上靠近输出端面写有第一光纤光栅，所述的第一光纤光栅的衍射光经自聚焦透镜照射在处于三维扫描平台上的待测样品上，所述的光纤导光元件的第二端口和光纤分束器的第一端口相连，该光纤分束器的第三端口和第四端口分别和第三光纤光栅及第二光纤光栅相连，第二光纤光栅的输出端和第一光电探测器相连，第三光纤光栅的输出端和第二光电探测器相连。
Description
技术领域
本实用新型涉及纳米精度测量，特别是一种全光纤斐索于涉共焦测量装置。主要应用于微纳器件的高精度三维形貌测量。
背景技术
纳米科学技术是基于纳米尺度的物理、化学、生物、信息、材料等学科构成的交叉的科学技术体系。作为21世纪的新兴学科，纳米科技的飞速发展将对材料、器件、系统以及加工技术带来根本性的变革。开发可大批量生产的高度集成化、智能化的微纳器件是纳米技术所要实现的目标之一。准确的几何量检测是研究和控制微纳器件性能的关键环节，例如，表面形貌、台阶高度、多层结构中各层的厚度等。
共焦扫描显微系统具有独特的轴向响应特性，具有三维层析成像功能，已经广泛应用于生物、医学、工业探测以及计量学领域。但普通的共焦显微镜的轴向分辨率仍然只停留在亚微米量级，且光源的噪声和漂移直接影响测量结果。为此提出了差动式共焦显微系统[Noninterferometric differential confocal microscopywith 2-nm depth resolution，Optics Communications，135，233-237，1997]，使测量分辨率达到2nm，由于仍采用光强测量方法，使得测量精度受光强曲线非线性的影响。光纤斐索干涉测量技术是一种用于微位移和表面形貌的高精度测量技术[Profile measurement of optically rough surfaces by fiber-opticinterferometry，OPTICS LETTERS，Vol.18，No.16，1361-1363，1993]，但是不具有轴向层析功能。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种利用波分复用技术、采用光纤光栅滤波器巧妙融合的斐索干涉技术和共焦显微技术的方法，提供一种用于微纳器件的表面形貌、台阶高度、多层结构中各层的厚度等几何量进行高精度测量的全光纤斐索干涉共焦测量装置。
本实用新型的技术解决方案如下：
一种全光纤斐索干涉共焦测量装置，特征在于其构成为：
第一半导体激光器的输出端和第二半导体激光器的输出端分别和光纤合波器的第一端口、第二端口相连，该光纤合波器的第三端口和光纤导光元件的第一端口相连，该光纤导光元件的第三端口和探头光纤相连，该探头光纤上靠近输出端面写有第一光纤光栅，所述的第一光纤光栅的衍射光经自聚焦透镜照射在处于三维扫描平台上的待测样品上，所述的光纤导光元件的第二端口和光纤分束器的第一端口相连，该光纤分束器的第三端口和第四端口分别和第三光纤光栅及第二光纤光栅相连，第二光纤光栅的输出端和第一光电探测器相连，第三光纤光栅的输出端和第二光电探测器相连。
所述的第一半导体激光器的中心波长λ0和第二半导体激光器的中心波长λ1和带宽与第一光纤光栅、第二光纤光栅、光纤光栅的中心波长和反射带宽相匹配。
所述的光纤导光元件是光纤耦合器、或是光纤环行器。
所述的探头光纤的输出端面切有一个角度，以减小端面的反射，该探头光纤为普通商用单模光纤或多模光纤或其它适合传输所述的第一半导体激光器和第二半导体激光器发射的光信号的其它低损耗光纤。
所述的第二光纤光栅是中心波长为λ1的窄带滤波器，第三光纤光栅是中心波长为λ0的窄带滤波器。
所述的第一光电探测器和第二光电探测器的响应波长与所述的第一半导体激光器和第二半导体激光器发射的光信号的波段相对应，所述的第一光电探测器和第二光电探测器是光电二极管，或是光电池。
本实用新型具有以下特点和优点：
1)光路采用全光纤化结构，测量系统实现了微型化和柔性化，结构简单，光路稳定，抗干扰能力强，便于对被测结构进行定位。而且共焦系统不存在物理针孔阻塞和清洗的问题。
2)将光干涉和共焦显微技术相结合，既充分利用了光干涉测量技术的高精度特点和共焦测量技术独有的大范围轴向响应特点，又克服了光干涉测量技术的相对测量和共焦测量技术的分辨率低的缺点，可以对微纳器件的表面形貌、台阶高度、多层结构的厚度等几何量进行高精度非接触式的测量。
3)引入光纤通信系统中波分复用思想和光纤光栅技术，采用双波长复用方法实现达到光干涉系统和共焦系统的共光路融合，由于斐索干涉本身的参考臂和信号臂是共光路的，因而系统的全部三个光信号都是共光路的，提高了测量的稳定性。
附图说明
图1为本实用新型的全光纤斐索干涉共焦测量装置的光路结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
图1为本实用新型的全光纤斐索干涉共焦测量装置的光路结构示意图，也是本实用新型实施例的的光路结构示意图。由图可见，本实用新型全光纤斐索干涉共焦测量装置的构成为：
第一半导体激光器1和第二半导体激光器2的输出端分别和光纤合波器3的第一端口31、第二端口32相连，该光纤合波器3的第三端口33和光纤导光元件4的第一端口41相连，该光纤导光元件4的第三端口43和探头光纤5相连，该探头光纤5上靠近输出端面写有第一光纤光栅6，所述的第一光纤光栅6的衍射光经自聚焦透镜7照射在处于三维扫描平台8上的待测样品14上，所述的光纤导光元件4的第二端口42和光纤分束器9的第一端口91相连，该光纤分束器9的第三端口93和第四端口94分别和第三光纤光栅11及第二光纤光栅10相连，第二光纤光栅10的输出和第一光电探测器12相连，第三光纤光栅11和第二光电探测器13相连。
所述的第一半导体激光器1的中心波长λ0和第二半导体激光器2的中心波长λ1和带宽与第一光纤光栅6、第二光纤光栅10、第三光纤光栅11的中心波长和反射带宽相匹配。
本实施例中：第一半导体激光器1和第二半导体激光器2采用输出波长在1300nm波段的分布反馈式(DFB)半导体激光器，两者的中心波长差别在数个纳米以内，输出功率为1mW。光纤合波器3采用分束比为1∶1的光纤耦合器。光纤导光元件4也采用分束比为1∶1的光纤耦合器。探头光纤5为普通商用单模光纤。光纤分束器9采用分束比为1∶1的光纤耦合器。第一光纤光栅6、第二光纤光栅10、第三光纤光栅11采用在普通单模光纤中用紫外激光辐照写入的均匀周期光纤光栅。第一光电探测器12和第二光电探测器13采用InGaAs光电探测器。
本实用新型的全光纤斐索干涉共焦测量装置的工作原理叙述如下：
本实用新型引入光纤通信技术中的波分复用思想，采用双波长复用方法，一个波长对应斐索干涉系统，另一个波长对应共焦显微系统，实现光斐索干涉系统和共焦系统的共光路融合，以达到既充分利用光干涉测量的高精度特点和共焦测量独有的大范围轴向响应特点，又克服光干涉测量的相对测量和共焦测量的分辨率低的缺点的目的。如图1所示，第一半导体激光器1和第二半导体激光器2发出激光波长分别为λ0和λ1，第一光纤光栅6的中心波长为λ0，第二光纤光栅10的中心波长为λ0，第三光纤光栅11的波长为中心λ1。波长为λ0的激光经过光纤合波器3和光纤导光元件4到达探头光纤5，经过第一光纤光栅6，一部分光被其反射，一部分光继续传输从光纤端面A输出，通过自聚焦透镜7到达被测样品14并被样品反射，这两束反射光在第二光电探测器13发生干涉，构成光纤斐索干涉系统。波长为λ1的激光经过光纤合波器3和光纤导光元件4到达探头光纤5，并通过第一光纤光栅6从光纤端面A输出，经过自聚焦透镜7聚焦到样品14，反射后又由光纤头耦合回光纤，由第一光电探测器12接收，这里光纤端面A的作用就是共焦系统的“针孔”，由此波长为λ1的光构成光纤共焦显微系统。在测量时，由光纤共焦显微系统负责确定反射面，电就是轴向层析功能，由斐索干涉系统负责测量二维形貌。
上面所述的第一半导体激光器1和第二半导体激光器2，是测量系统光信号的发射源，它们的中心波长和带宽需要与第一光纤光栅6、第二光纤光栅10、第三光纤光栅11的中心波长和反射带宽相匹配。
所述的光纤导光元件4，其功能是将从光纤合波器3输出的包含两个波长的激光信号发送至探头光纤5，并将探头光纤5中反向传输的光信号发送至光纤分束器9。它可以是光纤耦合器或者是光纤环行器，如果是光纤耦合器，其分束比一般为1∶1。
所说的探头光纤5，其靠近输出端面A的位置写有第一光纤光栅6，输出端面A切有一个角度，以减小端面的反射。它可以是普通商用单模光纤或多模光纤或其它适合低损耗传输上面所说的半导体激光器1和半导体激光器2发射的光信号的其它光纤。
所述的光纤光栅6，其功能是为斐索干涉系统提供一个参考反射面，同时又不反射共焦系统的光信号。其反射率大小可以根据被测样品14的反射特性来确定，以获得高的干涉对比度。
上面所述的光纤分束器9、第二光纤光栅10和第三光纤光栅11，构成一个双波长解复用模块，作用是使得第一光电探测器12只接收共焦系统的波长为λ1的光，第二光电探测器13只接收斐索干涉系统的波长为λ0的光。
本实用新型采用窄带光纤光栅作为滤波器，使得两个波长的间隔很小，从而可以减少波长差别带来的焦点弥散问题。
所述的第一光电探测器12和第二光电探测器13的功能是将光信号转换为电信号，其响应波长应在上面所说的第一半导体激光器1和第二半导体激光器2发射的光信号的波段，它们可以是光电二极管，或是光电池等。
实验和分析表明：本实用新型具有以下特点和优点：
1)光路采用全光纤化结构，测量系统实现了微型化和柔性化，结构简单，光路稳定，抗干扰能力强，便于对被测结构进行定位。而且共焦系统不存在物理针孔阻塞和清洗的问题。
2)将光干涉和共焦显微技术相结合，既充分利用了光干涉测量技术的高精度特点和共焦测量技术独有的大范围轴向响应特点，又克服了光干涉测量技术的相对测量和共焦测量技术的分辨率低的缺点，可以对微纳器件的表面形貌、台阶高度、多层结构的厚度等几何量进行高精度非接触式的测量。
3)引入光纤通信系统中波分复用思想和光纤光栅技术，采用双波长复用方法实现达到光干涉系统和共焦系统的共光路融合，由于斐索干涉本身的参考臂和信号臂是共光路的，因而系统的全部三个光信号都是共光路的，提高了测量的稳定性。
Claims (6)
1.一种全光纤斐索干涉共焦测量装置，特征在于其构成为：
第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(2)的输出端分别和光纤合波器(3)的第一端口(31)、第二端口(32)相连，该光纤合波器(3)的第三端口(33)和光纤导光元件(4)的第一端口(41)相连，该光纤导光元件(4)的第三端口(43)和探头光纤(5)相连，该探头光纤(5)上靠近输出端面写有第一光纤光栅(6)，所述的第一光纤光栅(6)的衍射光经自聚焦透镜(7)照射在处于三维扫描平台(8)上的待测样品(14)上，所述的光纤导光元件(4)的第二端口(42)和光纤分束器(9)的第一端口(91)相连，该光纤分束器(9)的第三端口(93)和第四端口(94)分别和第三光纤光栅(11)及第二光纤光栅(10)相连，第二光纤光栅(10)的输出和第一光电探测器(12)相连，第三光纤光栅(11)和第二光电探测器(13)相连。
2.根据权利要求1所述的全光纤斐索干涉共焦测量装置，其特征在于所述的第一半导体激光器(1)的中心波长λ0和第二半导体激光器(2)的中心波长λ1和带宽与第一光纤光栅(6)、第二光纤光栅(10)、第三光纤光栅(11)的中心波长和反射带宽相匹配。
3.根据权利要求1所述的全光纤斐索干涉共焦测量装置，其特征在于所述的光纤导光元件(4)是光纤耦合器、或是光纤环行器。
4.根据权利要求1所述的全光纤斐索干涉共焦测量装置，其特征在于所述的探头光纤(5)的输出端面(A)切有一个角度，以减小端面的反射，该探头光纤(5)为普通商用单模光纤或多模光纤或其它适合传输所述的第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(2)发射的光信号的其它低损耗光纤。
5.根据权利要求1所述的全光纤斐索干涉共焦测量装置，其特征在于所述的第二光纤光栅(10)是中心波长为λ1的窄带滤波器，第三光纤光栅(11)是中心波长为λ0的窄带滤波器。
6.根据权利要求1至5任一项所述的全光纤斐索干涉共焦测量装置，其特征在于所述的第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)的响应波长与所述的第一半导体激光器(1)和第二半导体激光器(2)发射的光信号的波段相对应，所述的第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)是光电二极管，或是光电池。
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
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