CN100427875C - 激光共焦回馈显微测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于形貌测量，尤其涉及低反射率样品的非连续表面微观形貌测量技术领域，其特征在于，包含：单纵模微片激光器，依次放置在其发射端轴线上的透镜和分光镜，依次放置在分光镜反射光路上的透镜和光电探测器，依次放置在其透射光路上的移频器件和共焦光回馈模块；正弦信号发射源，输出端同时和移频器件与参考信号发生电路的输入端相连；信号调理电路，输入端和光电探测器的输出端相连；正交相敏检波器，两个输入端分别和参考信号发生电路及信号调理电路的输出端相连，而输出光功率调制信号的幅度和相位，分别用于确定样品表面上两点高度差的半波长大数和小数。本发明可同时用于连续表面以及存在大于半波长形貌突变的非连续表面的形貌测量。

Description

激光共焦回馈显微测量装置

技术领域

本发明属于形貌测量技术领域，特别适用于低反射率样品的非连续表面微观形貌测量。

背景技术

随着微加工工艺的快速发展，微器件已经成为科研领域的一个研究热点，如MEMS器件和微光学器件研究等；与此相应，微器件的形貌测量仪器目前面临着较大的需求。基于光学干涉相位测量原理的光学形貌测量方法具有可溯源至长度基准和分辨率高的优点，得到广泛应用。但是，过去基于相位测量的光学形貌方法存在一些缺点。传统相位测量方法要求待测样品表面具有一定的反射率和表面平滑度，以达到足够的信噪比，因此低反射率样品的表面形貌测量成为困难；而且，一些透明样品不同层面的杂散反射光会产生干扰信号影响相位测量精度。相位测量方法的测量范围一般都限制半个波长范围内，然而，很多样品表面包含有台阶和微孔等非连续面，当台阶高度或孔深度超过半个光波长时，相位测量方法就不能进行。这些问题都限制了基于相位测量的光学形貌测量方法的应用。

1963年，King首次发现当一个外部反射镜将CO₂激光器的部分输出光耦合回谐振腔时，反射镜的运动会引起激光器输出功率的调制，类似于传统的双光束干涉现象，即一个条纹移动对应反射镜移动半个激光波长，此即激光回馈现象，也称自混合干涉现象。

图1为法国研究人员Eric Lacot等人在Physical Review A第70卷053824页报导的基于微片激光器的光回馈位移测量装置。该系统的工作原理为：如图1所示，微片激光器1输出单纵模激光，经过透镜2准直后，投射到分光镜3；经过分光镜3的透射光通过移频器件4后，光频相对于激光器腔内光频(ω)发生偏移，偏移量等于移频器件4的正弦信号发生源8输出的驱动信号频率(Ω/2)，即通过移频器件4后激光频率变为(ω+Ω/2)；此后，激光再经过衰减片12，由透镜13投射到待测物体6上；一部分反射光又沿着原来的光路返回微片激光器1，形成光回馈；由于反射光在返回过程中再次经过移频器件4，因此，返回微片激光器1时激光频率已变化为(ω+Ω)；经过移频Ω的回馈光导致激光器光功率受到调制，调制频率为Ω，相位和回馈外腔腔长相关；微片激光器1的出射光，经过分光镜3反射后通过透镜5会聚到光电探测器7上，得到反映激光功率调制的电信号，再经过信号调理电路10后，形成测量信号。正弦信号发生源8输出的电信号经过参考信号生成电路9后，输出一路频率为Ω、幅度稳定的正弦信号，作为参考信号。将测量信号和参考信号同时送入正交相敏检波器11，即可测量光功率调制信号的相位变化信息，从而得到待测物体的位移。这种基于光回馈相位测量的位移测量方法有两个优点：微弱的反射光即可产生一定幅度的功率调制，则待测样品的反射率和表面质量可以很低；外差式相位测量方法可以实现高分辨率的相位测量，实验中位移分辨率优于10nm。但是，上述的光回馈相位测量方法在用于表面形貌测量时同样受到半波长测量范围的限制，因此在测量台阶等非连续表面时受到限制；而且，它在测量低反射率样品时同样易受到来自样品不同层面的杂散反射光的影响，影响相位测量精度。

共焦扫描成像在上世纪由Minsky提出，由于其具有层析的特性而得到普遍重视。图2为普通反射式共焦显微系统示意图。光源21发出的光由透镜22会聚在针孔23上，通过针孔后从分光镜24透射，由透镜22会聚于被测物25上。假设被测物25是一个理想全反射平面，它沿透镜22轴向进行扫描。当物体在焦平面时，反射光被精确的聚焦在针孔26上，此时探测器27接收到大量的入射光能量。若反射面从焦平面上移开(图2中的虚线)，则反射光被聚焦在针孔26前面的某个位置，此时探测器27接收到的光强信号大大减弱，即离焦面在点探测器上产生的信号随离焦量增加迅速降低。深入研究表明，共焦显微系统不仅可以抑制成像中的弱杂散光，而且在相同成像条件下，其横向分辨率为普通显微系统的1.4倍，并且具有三维层析成像功能。共焦显微术已被应用于表面形貌测量领域，它的优点是能够探测待测表面绝对位置的变化。但是，单纯的共焦形貌测量方法的轴向分辨率因为光源噪声和功率漂移的影响受到限制；而且，点探测器接收的光强变化和待测物体位移之间具有一定的非线性，形貌测量的精度受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的形貌测量装置，它融合了微片激光器的高光回馈灵敏度，外差式光回馈相位测量的高分辨率和共焦系统的绝对位置测量等优点，解决了过去单纯基于相位测量或者共焦法的光学形貌测量方法的缺点，能够实现各种反射率表面的高分辨率形貌测量，尤其是可以进行以往光学形貌测量方法较难完成的低反射率样品非连续表面的高分辨率测量。

图3所示为本发明的测量原理框图。对于微片激光器，当回馈光相对于腔内激光的频移量接近激光器的驰豫振荡频率时，微弱的回馈光就可以引起一定幅度的激光器光功率调制；由于采用了共焦光回馈光路，待测样品表面的高度起伏同时影响着回馈光的强度和相位，因此也影响着激光器功率调制的幅度和相位；通过外差测量方法同时检测出此激光功率调制的幅度和相位，其中，幅度信息用于样品表面两点高度差的半波长大数的判定，相位信息用于此高度差的半波长小数测量；最后，综合半波长大数和小数信息得到样品表面上两点的高度差。这样，本发明同时具备了高灵敏度，大量程和高分辨率等优点，可以满足低反射率样品非连续表面测量的要求。

本发明的测量原理具体如下：

单纵模微片激光器输出的光场E(t)为：

E(t)＝E₀exp[i(ω+φ₀)]，(1)

式中，各变量的含义为：E₀为光场慢变振幅，ω为激光频率，φ₀为出射激光的初始相位。

在外腔，出射光场E经过移频装置(移频量为Ω/2)后，经过透镜投射到样品上，部分光被样品反射后再次通过移频装置，又返回到激光谐振腔，形成回馈光。因此，回馈光光场为：

E_inj(t)＝KE(t-τ)exp(iΩt)exp[-i(ω+Ω/2)τ]，(2)

式中，各变量的含义为：K为光回馈系数；τ为反馈光在外腔的时延，它由外腔腔长决定。考虑回馈光影响的B类激光器速率方程为：

$\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\γ}(N_0-N)-\mathrm{BN}{\left|E\right|}^2,---\left(3\right)$

$\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=[i({\mathrm{\ω}}_c-\mathrm{\ω})+\frac{1}{2}(\mathrm{BN}-{\mathrm{\γ}}_c)]E\left(t\right)+{\mathrm{\γ}}_c{E}_{\mathrm{inj}}\left(t\right)$

式中，各变量的含义为：N和N₀分别为激光器实际反转粒子数和小信号反转粒子数；γ为反转粒子数的衰减速率；γ_c为腔内光场的衰减速率；B为爱因斯坦受激辐射系数；ω_c和ω分别为谐振腔共振频率和实际激光频率。

由公式(3)可以得到，移频光回馈引起的激光器输出功率相对调制为：

$\frac{\mathrm{\ΔP}}{P_s}=2K{\mathrm{\γ}}_c\frac{{({\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\γ}}^2+{\mathrm{\Ω}}^2)}^{1/2}}{{[{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\γ}}^2{\mathrm{\Ω}}^2+{({{\mathrm{\ω}}_R}^2-{\mathrm{\Ω}}^2)}^2]}^{1/2}}\cos (\mathrm{\Ωt}-\mathrm{\ω\τ}+{\mathrm{\φ}}_s),---\left(4\right)$

式中，ΔP为激光器功率调制信号；P_s为稳态输出功率；η为实际泵浦功率和阈值泵浦功率的比值；ω_R＝[(η-1)γγ_c]^1/2，是微片激光器的驰豫振荡频率；φ_s为固定的附加相位，和ωτ无关。

根据公式(4)，当回馈光在外腔的频移量Ω＝ω_R时，它引起的功率调制幅度达到最大： $\frac{\mathrm{\ΔP}}{P_s}\≈\frac{2K}{\mathrm{\η}}\frac{{\mathrm{\γ}}_c}{\mathrm{\γ}};$ 对于微片激光器，γ_c/γ可以达到10⁶量级。这相当于对光回馈系数K的一个极大的放大；因此，当回馈光在外腔的频移量接近驰豫振荡频率时，微片激光器会表现出非常高的回馈光灵敏度，可应用于微弱光信号检测的场合，这也是本发明可以测量低反射率样品表面形貌的基础。

根据公式(4)，光功率调制信号的相位φ＝Ωt-ωτ+φ_s，其中，(ωτ)直接反映了外腔腔长的变化；回馈光的移频量Ω是通过移频器件实现的，因此，由驱动移频器件的信号源可以得到一路参考电信号E_r(t)＝E_r0cos(Ωt)；将功率调制信号ΔP和参考信号E_r同时送入正交相敏检波器进行外差式相位解调，就可以测量相位项ωτ的变化。在形貌测量中，外腔腔长的变化即对应于样品表面的高度起伏，因此，本发明可以通过光回馈相位测量方法实现表面形貌的高分辨率测量。当相位测量分辨率为1度时，形貌测量的分辨率达到1.5nm。

然而，单纯的光回馈相位测量方法在用于表面形貌测量时也要求非连续形貌的高度变化必须在半个波长范围内，这限制了它的应用范围。本发明融合光回馈相位测量技术和共焦光回馈技术，利用共焦系统的绝对位置测量能力在非连续形貌测量时进行半波长大数的确定，从而大大扩展了光回馈相位测量的测量能力。

图4为共焦光回馈原理示意图。假想样品45为一理想反射面，微片激光器41的输出光经过透镜42会聚于针孔43处，通过针孔43后经过物镜44会聚于样品45表面上。当样品45表面位于物镜44焦点处时，会有大量反射光可以通过针孔43，形成回馈光；当样品表面偏离物镜44的焦面(图4中的虚线)，则反射光中大部分光将不能通过针孔43，回馈光的强度会大大减弱。因此，在共焦光回馈系统中，通过单个针孔43同时完成了有限孔径光源和有限孔径探测器的功能。理论推导表明，在共焦光回馈系统中，光回馈系数K和样品表面的离焦量u满足

$K^2\∝{\left[\frac{\sin (u/2)}{(u/2)}\right]}^2.---\left(5\right)$

根据公式(4)和(5)可以得到激光功率调制幅度A和离焦量u的关系示意曲线，如图5所示。如果样品表面位于图5曲线中的近似线性区域a中，则可以利用幅度A的变化来大致评估样品表面所处的绝对位置。通过调节图4中针孔43的孔径和物镜44的放大倍率，可以改变图5曲线的近似线性区间a的宽度和斜率。选择合适的参数，使得当样品表面的绝对位置变化半个波长时，测得的功率调制幅度A的变化可以分辨，这样幅度A就可以用于形貌测量时半波长大数的判定。这样，本发明可以解决过去光回馈相位测量方法中相位突变不能超过半波长范围的限制。功率调制幅度A可以通过将功率调制信号ΔP和参考电信号E_r同时送入正交相敏检波器中得到。

最终，在微观表面形貌测量中，本发明应用正交相敏检波器测得的幅度信息A进行样品表面上两点高度差Δh的半波长大数n的确定，应用在两点测得的相位差

来确定高度差的半波长小数，具体计算如公式(6)所示：

式中，λ为微片激光器输出激光的波长。

本发明的特征在于，含有：

输出单纵模的微片激光器1，输出单纵模激光；

透镜21和分光镜3，依次放置在该激光器发射端轴线上；

移频器件4，为声光移频器，放置在分光镜3的透射光路上，移频器件4输出的激光的频率相对于激光器腔内光频ω发生Ω/2的偏移；

共焦光回馈模块，放置在移频器件4的透射光路上，该模块包括依次放置的透镜22、针孔5、透镜23和显微物镜12，其中

透镜22，把移频器件4输出的透射光会聚于针孔5上，

针孔5，通过针孔5的透射光由透镜23准直成平行光束，该平行光束通过显微物镜12会聚在样品6的表面上，一部分激光被样品6反射后再次进入所述共焦光回馈模块，针孔5在作为共焦系统中点光源的同时，又起到点探测器的作用，使得通过所述共焦光回馈模块的反射光强度随样品6表面的离焦值增大而迅速减弱，从而导致回馈光强度降低，以评估样品6表面的绝对位置的变化；

另一个透镜24和光电探测器7，依次放置在分光镜3的反射光路上；

正弦信号发生源8，输出端和移频器件4的输入端相连，输出频率为Ω/2的电信号；

参考信号发生电路9，输入端和所述正弦信号发生源8的频率为Ω/2的电信号输出端相连；

信号调理电路10，输入端与所述光电探测器7的输出端相连；

正交相敏检波器11，两个输入端分别和所述参考信号发生电路9以及信号调理电路10的输出端相连，同时解调出光功率调制信号的幅度和相位，以便在形貌测量过程中依次分别实现样品6表面上两点之间高度差的半波长大数和半波长小数的测量，据此得出样品6表面上两点之间的高度差；

其中，当样品6产生的反射光再次经过移频器件4时形成频率为ω+Ω的回馈光，以Ω的调制频率调制所述微片激光器1的输出光功率。

所述共焦光回馈模块中的透镜22、针孔5和透镜23是共光轴的，依次位于所述透镜21之下和所述分光镜3之上。

本发明具有以下特点及良好效果：

由于微片激光器具有非常高的光回馈灵敏度，本发明特别适用于低反射率或者表面质量差的样品形貌测量。

本发明在微片激光器光回馈相位测量系统中融入了共焦光回馈模块，使得光回馈的强度随样品表面的离焦量不同产生明显变化，从而可以用于评估样品表面的绝对位置变化，利用此信息来进行非连续表面形貌测量时的半波长大数的判定。因此，与单纯的光回馈相位测量方法相比，本发明可以同时应用于连续表面以及存在大于半波长形貌突变的非连续表面形貌测量。

本发明由于采用了共焦光回馈模块，在解决了半波长大数判定问题的同时，系统还具备了层析的功能，可以避免低反射率样品测量时离焦层面的残余反射光引起的相位测量误差，这也是本发明区别于现有形貌测量方法的一个优点。

附图说明

图1为微片激光器光回馈位移测量装置原理图；

图2为共焦显微成像原理图；

图3为本发明的测量原理框图；

图4为本发明的共焦光回馈原理示意图；

图5为本发明的激光功率调制幅度A和样品表面离焦量u关系示意图；

图6为本发明的激光共焦回馈显微测量装置的实施例1结构图；

图7为本发明的共焦光回馈模块5的实施例结构图；

图8为本发明的激光共焦回馈显微测量装置的实施例2结构图；

图9为本发明的实施例的一组初步测量结果。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明的激光共焦回馈显微测量装置的具体实施方式。

本发明实施例1的结构如图6所示，包括：

输出单纵模的微片激光器1，以及依次放置在该激光器发射端轴线上的透镜21和分光镜3；放置在分光镜3透射光路上的移频器件4和共焦光回馈模块；放置在分光镜3反射光路上的透镜24和光电探测器7；正弦信号发生源8，它的输出端同时和移频器件4以及参考信号发生电路9的输入端相连；信号调理模块10，它的输入端与光电探测器7相连；正交相敏检波器11，它的两个输入端分别和参考信号发生电路9以及信号调理模块10的输出端相连。

所述的共焦光回馈模块5的实施例的结构如图7所示，包括：依次放置的透镜22、针孔5、透镜23和显微物镜12。

本实施例的激光共焦回馈形貌测量装置具体原理如下：

如图6所示，微片激光器1输出单纵模激光，经过透镜21准直后，由分光镜3分为两束。经过分光镜3的透射光通过移频器件4后，激光的频率相对于激光器腔内光频(ω)发生了偏移，偏移量等于驱动移频器件4的正弦信号发生源8输出的电信号频率(Ω/2)，即通过移频器件4后激光频率变为(ω+Ω/2)。通过移频器件4后，激光进入共焦光回馈模块(采用图7所示的实施例)，由共焦光回馈模块中的透镜22会聚于针孔5上，通过针孔5后由透镜23扩成平行光束，平行光束通过显微物镜12会聚在样品6的表面上。一部分激光被样品6表面反射后再次进入共焦光回馈模块。针孔5同时发挥共焦系统中点光源和点探测器的作用，使得能够通过光回馈模块的反射光强度随样品6表面的离焦量增加而迅速减弱，从而导致回馈光强度降低，从中可以评估样品6表面的绝对位置变化。通过共焦光回馈模块的样品反射光再次经过移频器件4，频率变为(ω+Ω)，再经过分光镜3和透镜21返回微片激光器1，形成回馈光；回馈光导致激光器光功率受到调制，调制频率为Ω，相位和回馈外腔腔长相关，调制幅度和回馈光强度相关。微片激光器1的出射光，经过分光镜3反射后通过透镜24会聚到光电探测器7上，得到反映激光功率调制的电信号，再经过信号调理电路10后，形成测量信号。正弦信号发生源8输出的电信号经过参考信号生成电路9后，输出一路频率为Ω、幅度稳定的正弦信号，作为参考信号。将测量信号和参考信号同时送入正交相敏检波器11，它同时解调出功率调制信号的幅度和相位。利用功率调制的幅度信息在形貌测量过程中实现样品表面上两点高度差的半波长大数的确定；利用功率调制的相位信息进行样品表面上两点高度差的半波长小数测量；最后，综合半波长大数和小数信息得到样品表面上两点的高度差。

本发明实施例2的结构如图8所示，包括：

输出单纵模的微片激光器1，以及放置在该激光器发射端轴线上的透镜21；依次放置于透镜21之下的所述共焦光回馈模块中的透镜22、针孔5和透镜23；放置在透镜23之下的分光镜3；放置在分光镜3透射光路上的移频器件4和显微物镜12；放置在分光镜3反射光路上的透镜24和光电探测器7；正弦信号发生源8，它的输出端同时和移频器件4以及参考信号发生电路9的输入端相连；信号调理模块10，它的输入端与光电探测器7相连；正交相敏检波器11，它的两个输入端分别和参考信号发生电路9以及信号调理模块10的输出端相连。

实施例2和实施例1相比的区别在于，所述共焦光回馈模块中的透镜22、针孔5和透镜23依次位于所述透镜21之下和所述分光镜3之上；这样，在光路调节中可以避免针孔处产生经过移频的杂散反射光，降低光路调节难度。

以实施例1为例来具体说明本发明的形貌测量方法，具体测量步骤如下：

1)微片激光器1输出的单纵模激光，经过透镜21准直，从分光镜3透射后依次通过移频器件4和共焦光回馈模块，会聚在样品6的表面上；一部分激光被样品6表面反射后，再次通过共焦光回馈模块、移频器件4、分光镜3和透镜21，返回微片激光器1，形成回馈光；回馈光导致激光器光功率受到调制，调制频率为Ω，相位和回馈外腔的腔长相关，调制幅度和回馈光的强度相关；

2)微片激光器1的出射光，经过分光镜3反射后通过透镜24会聚到光电探测器7上，得到反映激光功率调制的电信号，再经过信号调理电路10后，形成测量信号；

3)正弦信号发生源8输出的电信号经过参考信号生成电路9后，输出一路频率为Ω、幅度稳定的正弦信号，作为参考信号。

4)将测量信号和参考信号同时送入正交相敏检波器11，它同时解调出激光功率调制信号的幅度和相位；利用功率调制幅度的变化在形貌测量中实现样品表面上两点高度差的半波长大数的确定；利用功率调制相位的变化进行样品表面上两点高度差的半波长小数测量；最后，综合半波长大数和小数信息处理得到样品表面上两点的高度差。

本发明兼备了微片激光器的高光回馈灵敏度，外差式光回馈相位测量的高分辨率和共焦系统的绝对位置测量等优点，预计本发明的纵向分辨率优于10nm，可测突变形貌的高度大于10μm，而且可以测量低反射率样品的形貌。

本发明的实施例的主要器件的型号及参数：

微片激光器1为半导体激光器泵浦的微片Nd:YAG激光器，它输出单纵模激光；移频器件4采用声光移频器；共焦光回馈模块采用图7所示的实施例，其中，针孔5的孔径为100μm，显微物镜12为放大倍率15×，数值孔径0.30的物镜；光电探测器7为光电二极管；正交相敏检波器11采用双相锁相放大器。

为测试本测量装置的可行性，用德国PI公司的带有电容位移传感器伺服控制的微动台(型号：P762)来初步标定本测量装置，该微动台在100μm行程范围内的非线性误差小于5nm。用一个经过铣削的铝工件作为测量对象，将它固定在微动台上，随着微动台运动。微动台移动20μm，图9为测试实验的一组测量结果。横坐标为微动台内置的电容位移传感器测得的目标位移，纵坐标左边为本测量装置相位测量结果转化为目标位移后的结果，纵坐标右边为本测量装置幅度测量的结果。此结果表明本测量装置可以实现高灵敏度、高分辨率形貌测量，而且测得的幅度信息可以实现半波长大数的判定。

Claims (2)

1.一种激光共焦回馈显微测量装置，其特征在于，含有：

输出单纵模的微片激光器(1)，输出单纵模激光；

第一透镜(21)和分光镜(3)，依次放置在该微片激光器发射端轴线上；

移频器件(4)，为声光移频器，放置在分光镜(3)的透射光路上，移频器件(4)输出的激光的频率相对于微片激光器腔内光频ω发生Ω/2的偏移；

共焦光回馈模块，放置在移频器件(4)的透射光路上，该模块包括依次放置的第二透镜(22)、针孔(5)、第三透镜(23)和显微物镜(12)，其中

第二透镜(22)，把移频器件(4)输出的透射光会聚于针孔(5)上，

针孔(5)，通过针孔(5)的透射光由第三透镜(23)准直成平行光束，该平行光束通过显微物镜(12)会聚在样品(6)的表面上，一部分激光被样品(6)反射后再次进入所述共焦光回馈模块，针孔(5)在作为共焦系统中点光源的同时，又起到点探测器的作用，使得通过所述共焦光回馈模块的反射光强度随样品(6)表面的离焦值增大而迅速减弱，从而导致回馈光强度降低，以评估样品(6)表面的绝对位置的变化；

另一个第四透镜(24)和光电探测器(7)，依次放置在分光镜(3)的反射光路上；

正弦信号发生源(8)，输出端和移频器件(4)的输入端相连，输出频率为Ω/2的电信号；

参考信号发生电路(9)，输入端和所述正弦信号发生源(8)的频率为Ω/2的电信号输出端相连；

信号调理电路(10)，输入端与所述光电探测器(7)的输出端相连；

正交相敏检波器(11)，两个输入端分别和所述参考信号发生电路(9)以及信号调理电路(10)的输出端相连，同时解调出光功率调制信号的幅度和相位，以便在形貌测量过程中依次分别实现样品(6)表面上两点之间高度差的半波长大数和半波长小数的测量，据此得出样品(6)表面上两点之间的高度差；

其中，当样品(6)产生的反射光再次经过移频器件(4)时形成频率为ω+Ω的回馈光，以Ω的调制频率调制所述微片激光器(1)的输出光功率。

2.根据权利要求1所述的激光共焦回馈显微测量装置，其特征在于：

所述共焦光回馈模块中的第二透镜(22)、针孔(5)和第三透镜(23)是共光轴的，依次位于所述第一透镜(21)之下和所述分光镜(3)之上。

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