CN104655029A - 一种位相增强型薄膜厚度测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位相增强型薄膜厚度测量方法和系统。该系统采用宽带扫频光源，其测量光路和参考光路中分别设置有测量子循环腔和参考子循环腔，利用测量光和参考光在两个子循环腔中的高速（光速）光循环，能够对待测薄膜样品同一横向位置处的薄膜位相进行累积放大测量（放大倍数等于测量光和参考光的光循环级次），从而增强薄膜位相探测的灵敏度。并且，由于该系统在对薄膜位相进行累积放大测量的过程中，测量光束始终照射于待测薄膜样品的同一横向位置，因而不同于利用测量光束在待测薄膜样品中多次反射进而求取薄膜反射率的光谱方法，该薄膜位相增强方法不会牺牲系统对待测薄膜样品的横向分辨能力。

Description

一种位相增强型薄膜厚度测量方法和系统

技术领域

本发明涉及光学相干测量领域，具体涉及一种位相增强型薄膜厚度测量方法和系统。

背景技术

薄膜技术在现代科学技术中的重要性与日剧增。近几十年来，各种光电器件、生物传感技术、激光器件、微电子器件、液晶显示以及集成光学等技术都在很大程度上依赖着薄膜技术的发展。而随着光学薄膜设计和薄膜技术的不断发展，在制备高性能的光学薄膜元件时需要精确测定光学薄膜的几个主要光学参数，包括：折射率、膜层厚度、透射比、反射比和吸收比等。其中薄膜的物理厚度是薄膜的最基本参数之一，其会影响整个光学元件的最终性能，因而如何完善现有的薄膜厚度检测技术，实现快速精确地测量具有十分重要意义。

目前薄膜厚度的测量方法主要可按非光学方法和光学方法进行划分。非光学方法主要分为探针扫描法，扫描电子显微镜，原子力显微镜等。

探针扫描法，该方法也称作轮廓法，其通过利用微小的机械探针(一般只有几个微米)接触待测薄膜的表面来测量薄膜的厚度。该方法存在以下几个不足：需要制备用于测试时使用的薄膜厚度台阶，另外该方法的精度受限于所用探针的大小，且在测试薄膜表面轮廓时将会有积分平滑的效应，类似于数学上的低通滤波，因此对高频率薄膜的粗糙度以及薄膜台阶制备不理想的样品，无法得到良好的测试效果。最重要的是该方法对薄膜的表面一般可能带来无法预知的损伤。

扫描电子显微镜能够用于检测薄膜的厚度，该方法利用聚焦的非常细的电子束作为电子探针，在被测薄膜表面做光栅形式的扫描，并通过探测器探测被测薄膜表面由入射电子所激发的二次电子，然后经过放大和数据处理后，能够得到一副高放大倍数的扫描电子图像。由于被测薄膜的表面分布与二次电子的强度及分布有关，因此该扫描电子图像能够直观的反映被测薄膜表面的粗糙度分布情况，并且该方法的横向和纵向分辨率能够达到纳米级。虽然该方法有如上所说的优点，但是由于扫描电子显微镜只是利用立体观察技术和立体分析技术来间接获得具有深度效果的图像，因此只能用于定性观察被测薄膜表面的形貌，并且扫描电子显微镜适用的样品其表面需要导电，因此对非导体薄膜进行测量时，需要在原薄膜的表面镀金属膜，破坏了薄膜表面的原始形貌，引入了测量误差。

原子力显微镜也可以应用于薄膜厚度的测量，该方法能够通过利用探针与薄膜原子间相互作用力获得薄膜表面形貌。通常原子力显微镜的探针被放置于微悬臂上，利用光学杠杆原理测出微悬臂在探针与薄膜原子的相互作用力下的形变，从而测得薄膜表面的形貌。与扫描电子显微镜相比，原子力显微镜测量的样品表面不需要导电，并且其横向分辨率和纵向分辨率能够达到0.1nm和0.01nm，能够直观的观察分子或者原子。虽然该方法具有上述所说的优点，但是该方法的横向和纵向扫描范围一般只有微米量级，并且利用光学杠杆原理来测量微悬臂的形变，容易受到光电噪声、振动等因素影响。

利用扫描电子显微镜和原子力显微镜进行薄膜厚度的测量，也可能对薄膜的表面带来未知的损伤。因而对于薄膜的厚度测量更适合选用光学方法。目前用于薄膜厚度测量的光学方法主要有光谱法、椭圆偏振法和光学薄膜位相方法。

光谱法以光的干涉原理为基础，根据薄膜―基底―薄膜界面上光束的透射(或者反射)将会引起双光束或者多光束干涉，因此不同厚度的薄膜将有着不同的光谱反射率(或透射率)。因此能够通过检测薄膜的光谱特性来反演推导出薄膜的厚度。目前薄膜的透射率和反射率主要采用光栅测试分析系统进行测试。并且根据不同测量要求，包括：单层薄膜、多层薄膜、是否考虑薄膜的吸收、如何选择合理的色散模型、光谱中是否存在多个极值等，光谱法又可以细分为极值法、包络线法以及全光谱拟合方法等。光谱法需要通过选择合适的优化方法或者使用多种方法联立，才能够实现较为高精度的薄膜厚度测量。另外，该方法还要求膜层较厚以产生一定的干涉振荡，且只能用于测量弱吸收膜。

椭圆偏振法的测量原理是通过检测偏振光束通过薄膜反射(或透射)后其偏振态的变化来反演推导薄膜的厚度。椭圆偏振法不仅可以用于测得膜层参数，也可以应用于求取金属、半导体、介质膜的参数。当其应用于测量高吸收衬底上的介电薄膜厚度时，该方法将比光学干涉方法高一个数量级，甚至具有原子层级的灵敏度。然而，椭圆偏振法存在一个膜厚周期，只有在该周期内使用椭圆偏振法才能够测得精确的薄膜厚度值，如果测量的范围超过该周期，则薄膜的厚度将有多个不确定值。因此椭圆偏振法测量的薄膜厚度范围一般从1nm到1μm，且以10nm左右的薄膜厚度测量为最佳。此外，该方法不仅需要精确测得反射光强，而且需要精确测得分析偏振强度，因此意味着需要高精度的移动光学器件，提高了系统的搭建成本。同时，还需要指出的是，更高的灵敏度意味着更容易受到未知因素的影响，如薄膜折射率的非均匀分布。

光学薄膜位相方法指利用干涉仪探测得到干涉信号来求取薄膜的反射(或者透射)位相，由于该反射(或者透射)位相与薄膜的厚度有关，因此可以通过测得该反射(或者透射)位相来反演推导出薄膜厚度的精确值。该方法有如下几个优点：1.无论是透射型薄膜还是反射型薄膜都可以检测其位相特性。2.该方法为无损检测技术，不会对光学薄膜表面产生破坏。3.测量装置调节简单，能够实现快速测量甚至于全自动检测。4.检测光谱波段较宽。5.该方法的整个装置结构简单，成本低，十分适合应用于薄膜厚度的快速三维成像。另外该方法非常适合应用于多层膜厚度的高精度测量，目前已经有研究小组利用该光学薄膜位相方法对双层膜实现了80nm的薄膜厚度测量值。然而光学薄膜位相方法受限于薄膜非线性位相的灵敏度(即薄膜非线性位相最大值和最小值之间的差值)，理论能够精确重复实现的最小薄膜厚度测量值只有0.18μm。当薄膜的厚度小于0.18μm时，利用该方法进行薄膜厚度测量可能会带来较大的误差，误差率大于1％。

发明内容

本发明针对光学薄膜位相方法的不足，公开了一种位相增强型薄膜厚度测量方法和系统。该系统主要由薄膜厚度测量单元和采样波数漂移校正单元所构成。薄膜厚度测量单元的测量光路和参考光路中分别设置有测量子循环腔和参考子循环腔，利用测量光和参考光在两个子循环腔中的高速(光速)光循环，能够对待测薄膜样品同一横向位置处的薄膜位相进行累积放大测量(放大倍数等于测量光和参考光的光循环级次)，从而增强薄膜位相探测的灵敏度。并且由于该系统在对薄膜位相进行累积放大测量的过程中，测量光束始终照射于待测薄膜样品的同一横向位置，因而不同于利用测量光束在待测薄膜样品中多次反射进而求取薄膜反射率的光谱方法，该薄膜位相增强方法不会牺牲系统对待测薄膜样品的横向分辨能力。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：

薄膜厚度测量单元基于传统的光纤型马赫曾德干涉仪，该单元分别在干涉仪的测量光路和参考光路中对称设置测量子循环腔和参考子循环腔。利用测量光和参考光在两个子循环腔中的高速(光速)光循环，能够对待测薄膜样品同一横向位置处的薄膜位相进行累积放大测量(放大倍数等于测量光和参考光的光循环级次)，从而增强薄膜位相探测的灵敏度。并且由于该系统在对薄膜位相进行累积放大测量的过程中，测量光束始终照射于待测薄膜样品的同一横向位置，因而不同于利用测量光束在待测薄膜样品中多次反射进而求取薄膜反射率的光谱方法，该薄膜位相增强方法不会牺牲系统对待测薄膜样品的横向分辨能力。

薄膜厚度测量单元主光路(不包含子循环腔)部分的信号干涉由于不包含子循环腔信息，并且能够通过主光路中的光纤延迟线设置合适的固定光程差值。因而能够利用主光路部分的干涉信号来进行探测光谱的波数标定。因此，该系统不需要额外设置波数标定单元，简化了系统的硬件需求，降低了系统成本。

宽带扫频光源电子触发信号的抖动会造成不同扫频周期之间测量干涉信号采样波数的整体漂移，从而导致薄膜位相测量的误差，因而该系统设置了采样波数漂移校正单元来进行波数整体漂移的校正。该校正单元主要由宽带光纤环行器、光纤型布拉格衍射光栅和高带宽平衡光电探测器所构成。利用光纤型布拉格衍射光栅只针对特定波长的窄带光谱进行反射这一特性，通过高速数据采集卡采集不同扫频周期的反射光谱信号，并对比不同扫频周期之间反射光谱的尖峰位置来计算采样波数的整体漂移点数，从而实现不同扫频周期之间采样波数整体漂移的校正，大大降低了系统中宽带扫频光源电子触发信号抖动对薄膜位相测量稳定性的影响。

一种位相增强型薄膜厚度测量方法，其特征在于：首先高速数据采集卡对薄膜厚度测量单元和采样波数漂移校正单元所测得的信号进行同步采样，从而得到同步采样的测量干涉信号和用于采样波数整体漂移校正的窄带光谱信号；利用一个信号通道对所采集得到的窄带光谱信号计算不同扫频周期之间测量干涉信号的采样波数整体漂移点数，从而对测量干涉信号进行漂移点数的校正，随后对漂移校正后的测量干涉信号依次进行傅立叶变换、开窗滤波、移除相应光循环级次的载频量以及逆傅立叶变换，可以得到对应于不同光循环级次的复数形式的测量干涉信号；其中主光路干涉信号看作是光循环级次为零的干涉光谱信号，由于主光路探测得到的是具有固定光程差的干涉光谱，利用主光路上的干涉信号对经过两个子循环腔的干涉信号进行等波数标定；接着对等波数标定后的相应光循环级次的干涉信号解包裹位相进行线性拟合求取非线性位相；使用标准样品Ⅰ测得系统的色散失陪量，随后利用待测薄膜样品测得的对应于不同光循环级次的非线性位相减去系统的色散失配量，最终求得放大了N倍的精确的薄膜非线性位相量，从而精确求解薄膜厚度值。

一种位相增强型薄膜厚度测量系统，包括宽带扫频光源、第一宽带光纤耦合器、薄膜厚度测量单元、采样波数漂移校正单元、高速数据采集卡和计算机；所述的薄膜厚度测量单元包括第二宽带光纤耦合器、第三宽带光纤耦合器、第四宽带光纤耦合器、第五宽带光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、测量子循环腔、参考子循环腔、光纤延迟线和第一高带宽平衡光电探测器；

所述的宽带扫频光源通过第一宽带光纤耦合器分别与第二宽带光纤耦合器输入端和采样波数漂移校正单元输入端相连接，第二宽带光纤耦合器的两个输出端分别连接第一偏振控制器的输入端和第二偏振控制器的输入端；第一偏振控制器的输出端与第三宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接，第三宽带光纤耦合器的其中一个输出端连接测量子循环腔的输入端，测量子循环腔的输出端连接第三宽带光纤耦合器的另一个输入端，第三宽带光纤耦合器的另一个输出端与第三偏振控制器的输入端相连接，第三偏振控制器的输出端与第五宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接；第二偏振控制器的输出端与第四宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接，第四宽带光纤耦合器的其中一个输出端连接参考子循环腔的输入端，参考子循环腔的输出端连接第四宽带光纤耦合器的另一个输入端，第四宽带光纤耦合器的另一个输出端与光纤延迟线的输入端相连接，光纤延迟线的输出端与第四偏振控制器的输入端相连接，第四偏振控制器的输出端与第五宽带光纤耦合器的另一个输入端相连接；第五宽带光纤耦合器的两个输出端分别连接第一高带宽平衡光电探测器的两个输入端；采样波数漂移校正单元的电信号输出端和第一高带宽平衡光电探测器的电信号输出端分别连接高速数据采集卡的两个输入信号通道，高速数据采集卡的输出端与计算机相连接；宽带扫频光源的触发信号输出端与高速数据采集卡触发信号输入端相连接；

宽带扫频光源发出的低相干光进入第一宽带光纤耦合器后，一部分光进入薄膜厚度测量单元，另一部分光进入采样波数漂移校正单元；进入薄膜厚度测量单元的低相干光经过第二宽带光纤耦合器后分成两路，其中一路光经过第一偏振控制器后进入第三宽带光纤耦合器，另一路光经过第二偏振控制器后进入第四宽带光纤耦合器；进入第三宽带光纤耦合器的光分出一部分光经过第三偏振控制器后，进入第五宽带光纤耦合器；从第三宽带光纤耦合器输出的另一部分光通过测量子循环腔后第二次进入第三宽带光纤耦合器，第二次进入第三宽带光纤耦合器的低相干光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第五宽带光纤耦合器和第三次进入第三宽带光纤耦合器；以此类推，第N-1次进入第三宽带光纤耦合器的低相干光也沿上述路径到达第五宽带光纤耦合器和第N次进入第三宽带光纤耦合器；同样的进入第四宽带光纤耦合器分出一部分光依次经过光纤延迟线和第四偏振控制器后，进入第五宽带光纤耦合器；从第四宽带光纤耦合器输出的另一部分光通过参考子循环腔后第二次进入第四宽带光纤耦合器，第二次进入第四宽带光纤耦合器的低相干光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第五宽带光纤耦合器和第三次进入第四宽带光纤耦合器；以此类推，第N-1次进入第四宽带光纤耦合器的低相干光也沿上述路径到达第五宽带光纤耦合器和第N次进入第四宽带光纤耦合器；上述所有进入第五宽带光纤耦合器的低相干光发生干涉，干涉信号经由第一高带宽平衡光电探测器进行探测；系统两个单元所探测得到的信号被高速数据采集卡同步采集，采集得到的信号传输到计算机的内存进行数据处理；高速数据采集卡的触发信号由宽带扫频光源产生。

所述的测量子循环腔包括第五偏振控制器、第一宽带光纤环行器、第一助推光学放大器、第一声光频移器、第一光纤准直器和第一透镜；

第一声光频移器的输入端作为测量子循环腔的输入端，第五偏振控制器的输出端作为测量子循环的输出端；第一声光频移器的输出端连接第一助推光学放大器的输入端，第一助推光学放大器的输出端与第一宽带光纤环行器的输入端相连接，第一宽带光纤环行器的第一输出端连接第一光纤准直器的输入端，第一宽带光纤环行器的第二输出端与第五偏振控制器的输入端相连接，从而构成测量光路中的测量子循环腔；

从第三宽带光纤耦合器出射的其中一部分低相干光通过第一声光频移器、第一助推光学放大器和第一宽带光纤环行器后，从第一宽带光纤环行器的第一输出端进入第一光纤准直器，从第一光纤准直器出射的低相干光经过第一透镜后射入待测薄膜样品，随后从待测薄膜样品反射回来的低相干光再依次经过第一光纤准直器、第一宽带光纤环行器的第一输出端、第二输出端和第五偏振控制器后再次进入第三宽带光纤耦合器；通过平衡测量光在测量子循环腔中的增益和损耗，该过程将重复N次，测量光束将对待测薄膜样品的同一横向位置处进行N次照射，实现对测量薄膜位相的N倍放大。

所述的参考子循环腔包括第六偏振控制器、第二宽带光纤环行器、第二助推光学放大器、第二声光频移器、第二光纤准直器、第二透镜和平面反射镜；

第二声光频移器的输入端作为参考子循环腔的输入端，第六偏振控制器的输出端作为参考子循环的输出端；第二声光频移器的输出端连接第二助推光学放大器的输入端，第二助推光学放大器的输出端与第二宽带光纤环行器的输入端相连接，第二宽带光纤环行器的第一输出端连接第二光纤准直器的输入端，第二宽带光纤环行器的第二输出端与第六偏振控制器的输入端相连接，从而构成参考光路中的参考子循环腔；

从第四宽带光纤耦合器出射的其中一部分低相干光通过第二声光频移器、第二助推光学放大器和第二宽带光纤环行器后，从第二宽带光纤环行器的第一输出端进入第二光纤准直器，从第二光纤准直器出射的低相干光经过第二透镜后射入平面反射镜，随后从平面反射镜反射回来的低相干光再依次经过第二光纤准直器、第二宽带光纤环行器的第一输出端、第二输出端和第六偏振控制器后再次进入第四宽带光纤耦合器；通过平衡参考光在参考子循环腔中的增益和损耗，该过程将重复N次，从参考子循环腔中出射的低相干光将与测量子循环腔中出射的低相干光形成相应循环腔级次的干涉。

所述的采样波数漂移校正单元包括第六宽带光纤耦合器、光纤型布拉格衍射光栅和第二高带宽平衡光电探测器；

第六宽带光纤耦合器的其中一个输入端作为采样波数漂移校正单元的输入端，第二高带宽平衡光电探测器的电信号输出端作为采样波数漂移校正单元的电信号输出端，第六宽带光纤耦合器的输出端与光纤型布拉格衍射光栅的输入端相连接，第六宽带光纤耦合器的另外一个输入端与第二高带宽平衡光电探测器的其中一个输入端相连接，从而构成采样波数漂移校正单元；

从第一宽带光纤耦合器出射的其中一部分低相干光经过第六宽带光纤耦合器后，进入光纤型布拉格衍射光栅；从光纤型布拉格衍射光栅反射回来的特定波长的窄带光再次经过第六宽带光纤耦合器，从第六宽带光纤耦合器的另一个输入端进入第二高带宽平衡光电探测器；该单元利用光纤型布拉格衍射光栅只针对特定波长的窄带光谱进行反射这一特性，通过高速数据采集卡采集不同扫频周期的反射光谱信号，并对比不同扫频周期之间反射光谱的尖峰位置来计算采样波数的整体漂移点数，从而实现不同扫频周期之间采样波数整体漂移的校正，大大降低了系统中宽带扫频光源电子触发信号抖动对薄膜位相测量稳定性的影响。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1.利用测量光和参考光在两个子循环腔中的高速(光速)光循环，能够对待测薄膜样品同一横向位置处的薄膜位相进行累积放大测量(放大倍数等于测量光和参考光的光循环级次)，从而增强薄膜位相探测的灵敏度。

2.由于该系统在对薄膜位相进行累积放大测量的过程中，测量光束始终照射于待测薄膜样品的同一横向位置，因而不同于利用测量光束在待测薄膜样品中多次反射进而求取薄膜反射率的光谱方法，该薄膜位相增强方法不会牺牲系统对待测薄膜样品的横向分辨能力。

3.薄膜厚度测量单元主光路(不包含子循环腔)部分的信号干涉由于不包含子循环腔信息，并且能够通过主光路中的光纤延迟线设置合适的固定光程差值。因而能够利用主光路部分的干涉信号来进行探测光谱的波数标定。因此，该系统不需要额外设置波数标定单元，简化了系统的硬件需求，降低了系统成本。

4.利用采样波数漂移单元能够实时校正宽带扫频光源不同扫频周期之间测量干涉信号采样波数的漂移，大大降低了系统中宽带扫频光源触发信号的抖动对薄膜位相测量稳定性的影响。

附图说明

图1是本发明所述位相增强型薄膜厚度测量系统结构示意图；

图2是本发明所述测量子循环腔的结构示意图及薄膜位相累积放大测量的理论示意图；

图3是本发明所述参考子循环腔的结构示意图；

图4是本发明所述采样波数漂移校正单元的结构示意图；

图5是本发明所述位相增强型薄膜厚度测量的信号处理流程图；

图6是本发明所述薄膜非线性位相累积放大的实际效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明包括宽带扫频光源1、第一宽带光纤耦合器2、第二宽带光纤耦合器3、第一偏振控制器4、第二偏振控制器5、第三宽带光纤耦合器6、测量子循环腔7、第四宽带光纤耦合器8、参考子循环腔9、第三偏振控制器10、光纤延迟线11、第四偏振控制器12、第五宽带光纤耦合器13、第一高带宽平衡光电探测器14、采样波数漂移校正单元15、高速数据采集卡16、计算机17。

宽带扫频光源1通过第一宽带光纤耦合器2分别与第二宽带光纤耦合器3输入端和采样波数漂移校正单元15输入端相连接，第二宽带光纤耦合器3的两个输出端分别连接第一偏振控制器4的输入端和第二偏振控制器5的输入端。第一偏振控制器4的输出端与第三宽带光纤耦合器6的其中一个输入端相连接，第三宽带光纤耦合器6的其中一个输出端连接测量子循环腔7的输入端，测量子循环腔7的输出端连接第三宽带光纤耦合器6的另一个输入端，第三宽带光纤耦合器6的另一个输出端与第三偏振控制器10的输入端相连接，第三偏振控制器10的输出端与第五宽带光纤耦合器13的其中一个输入端相连接；第二偏振控制器5的输出端与第四宽带光纤耦合器8的其中一个输入端相连接，第四宽带光纤耦合器8的其中一个输出端连接参考子循环腔9的输入端，参考子循环腔9的输出端连接第四宽带光纤耦合器8的另一个输入端，第四宽带光纤耦合器8的另一个输出端与光纤延迟线11的输入端相连接，光纤延迟线的输出端11与第四偏振控制器12的输入端相连接，第四偏振控制器12的输出端与第五宽带光纤耦合器13的另一个输入端相连接。第五宽带光纤耦合器13的两个输出端分别连接第一高带宽平衡光电探测器14的两个输入端。采样波数漂移校正单元15的电信号输出端和第一高带宽平衡光电探测器14的电信号输出端分别连接高速数据采集卡16的两个输入信号通道，高速数据采集卡16的输出端与计算机17相连接。宽带扫频光源1的触发信号输出端与高速数据采集卡16触发信号输入端相连接。

宽带扫频光源1发出的低相干光进入第一宽带光纤耦合器2后，一部分光进入薄膜厚度测量单元，另一部分光进入采样波数漂移校正单元15。进入薄膜厚度测量单元的低相干光经过第二宽带光纤耦合器3后分成两路，其中一路光经过第一偏振控制器4后进入第三宽带光纤耦合器6，另一路光经过第二偏振控制器5后进入第四宽带光纤耦合器8。进入第三宽带光纤耦合器6的光分出一部分光经过第三偏振控制器10后，进入第五宽带光纤耦合器13。从第三宽带光纤耦合器6输出的另一部分光通过测量子循环腔7后第二次进入第三宽带光纤耦合器6，第二次进入第三宽带光纤耦合器6的低相干光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第五宽带光纤耦合器13和第三次进入第三宽带光纤耦合器6。以此类推，第N-1次进入第三宽带光纤耦合器6的低相干光也沿上述路径到达第五宽带光纤耦合器13和第N次进入第三宽带光纤耦合器6。同样的进入第四宽带光纤耦合器8分出一部分光依次经过光纤延迟线11和第四偏振控制器12后，进入第五宽带光纤耦合器13。从第四宽带光纤耦合器8输出的另一部分光通过参考子循环腔9后第二次进入第四宽带光纤耦合器8，第二次进入第四宽带光纤耦合器8的低相干光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第五宽带光纤耦合器13和第三次进入第四宽带光纤耦合器8。以此类推，第N-1次进入第四宽带光纤耦合器8的低相干光也沿上述路径到达第五宽带光纤耦合器13和第N次进入第四宽带光纤耦合器8。上述所有进入第五宽带光纤耦合器13的低相干光发生干涉，干涉信号经由第一高带宽平衡光电探测器14进行探测。系统两个单元所探测得到的信号被高速数据采集卡16同步采集，采集得到的信号传输到计算机17的内存进行数据处理。高速数据采集卡16的触发信号由宽带扫频光源1产生，图中实现部分为光纤，点划线部分为电路连接线。

如图2所示为本发明所述测量子循环腔的结构示意图及薄膜位相累积放大测量的理论示意图；测量子循环腔包括第五偏振控制器18、第一宽带光纤环行器19、第一助推光学放大器20、第一声光频移器21、第一光纤准直器22、第一透镜23、待测薄膜样品24。

第一声光频移器21的输入端作为测量子循环腔7的输入端，第五偏振控制器18的输出端作为测量子循环7的输出端。第一声光频移器21的输出端连接第一助推光学放大器20的输入端，第一助推光学放大器20的输出端与第一宽带光纤环行器19的输入端相连接，第一宽带光纤环行器19的第一输出端连接第一光纤准直器22的输入端，第一宽带光纤环行器19的第二输出端与第五偏振控制器18的输入端相连接，从而构成测量光路中的测量子循环腔7。

从第三宽带光纤耦合器6出射的其中一部分低相干光通过第一声光频移器21、第一助推光学放大器20和第一宽带光纤环行器19后，从第一宽带光纤环行器19的第一输出端进入第一光纤准直器22，从第一光纤准直器22出射的低相干光经过第一透镜23后射入待测薄膜样品24，随后从待测薄膜样品24反射回来的低相干光再依次经过第一光纤准直器23、第一宽带光纤环行器19的第一输出端、第二输出端和第五偏振控制器18后再次进入第三宽带光纤耦合器6。通过平衡测量光在测量子循环腔中的增益和损耗，该过程将重复N次，因而如图所示，测量光束将对待测薄膜样品的同一横向位置处进行N次照射，实现对测量薄膜位相的N倍放大。

下面将对薄膜位相累积放大测量的理论进行阐述，待测薄膜样品以单层膜为例，此时位相增强型薄膜厚度测量系统所探测得到的测量干涉信号在波数域上能够表示为：

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Measurement}}\left(t\right)\∝2\underset{N}{\mathrm{\Σ}}S\left(t\right)\·G_N\left(\right|z-\mathrm{N\Δ}{z}^{\′}\left|\right)\\ \·\cos [k\left(t\right)(z-\mathrm{N\Δ}{z}^{\′})+N{\mathrm{\ψ}}_n\left(t\right)+2\mathrm{\πN\Δft}]N=\mathrm{0,1,2,3},...,\end{array}---\left(1\right)$

公式(1)中S(t)表示t时刻的宽带扫频光源的光谱功率，G_N(|z-NΔz'|)表示相对于不同光循环级次的瞬时相干函数。z表示主光路(即不经过两个子循环腔的光路)的光程差，k(t)表示t时刻的波数，N＝0表示不经过子循环腔的测量干涉仪主光路部分的光干涉。如图2所示，图中a，b，c分别表示参考子循环腔和测量子循环腔之间的零光程差面，待测薄膜的上表面位置以及待测薄膜的下表面位置。Δz'表示参考子循环腔和测量子循环腔之间的等效光程失配量，其值可由公式(2)求得：

Δz'＝Δz_RL+d'  (2)

公式(2)中的d'相当于薄膜反射位相以及测量子循环腔和参考子循环腔之间色散失配量引进的群延迟量。ψ_n(t)包括t时刻测量子循环腔和参考子循环腔之间色散失配量的非线性部分ψ_ns(t)以及薄膜反射位相的非线性部分ψ_nf(t,d)。其值可由公式(3)计算求得：

ψ_n(t)＝ψ_nf(t,d)+ψ_ns(t)  (3)

从公式(3)中ψ_nf(t,d)是一个与薄膜厚度有关的非线性位相，接下来将介绍如何精确求得该非线性位相。

对公式(1)进行快速离散傅立叶变换，依次对不同光循环级次的测量干涉信号进行开窗，并移除相应光循环级次载频量，接着再进行逆傅立叶变换，能够得到对应于不同光循环级次的复数形式干涉信号，

$\begin{array}{c}{I^{\′}}_{\mathrm{Measurement}}\left(t\right)\∝S\left(t\right)\·G_N\left(\right|z-\mathrm{N\Δ}{z}^{\′}\left|\right)\\ \·\mathrm{expj}[k\left(t\right)(z-\mathrm{N\Δ}{z}^{\′})+N{\mathrm{\ψ}}_n\left(t\right)]\end{array}---\left(4\right)$

对该复数形式干涉信号求取解包裹位相得到相应光循环级次的干涉信号位相，

在对薄膜样品的不同次测量中，高速数据采集卡t时刻所采集到的宽带扫频光源波数k(t)由于受到宽带扫频光源电子触发信号的抖动，将有着更为一般的形式，如公式(6)所示：

$k(t+\mathrm{\ϵ})=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^n}{n!}{k}^{\left(n\right)}\left(t\right)---\left(6\right)$

公式(6)中ε表示不同次测量之间，高速数据数据采集卡由于宽带扫频光源电子触发信号抖动所造成的波数采样的时延。为了尽可能最小化该时延，位相增强型薄膜厚度测量系统引入一个由宽带光纤耦合器、高带宽平衡光电探测器以及光纤型布拉格衍射光栅所构建的采样波数漂移校正单元。另外利用主光路的干涉位相，即N＝0时候所测得的干涉光谱位相来标定等间隔波数采样。此时

k(t)＝k₀+γt  (7)

公式中k₀为初始波数，γ为与时间t有关波数线性化系数。把公式(7)代入公式(5)中可得

对公式(8)做线性化拟合并随之扣除线性化部分后，可得得到N倍放大的非线性位相，

结合公式(9)和(3)，为了能从非线性位相中反演得出Nψ_nf(t,d)，需要使用一块标准样品(即不引入类似薄膜反射位相的样品)得出Nψ_ns(t)，从而精确得出最后利用公式(10)所示的模型，通过迭代不同的薄膜厚度值求取最小值ξ(d)，从而得到精确的薄膜厚度值。

公式(10)中表示与薄膜厚度有关的薄膜反射位相非线性部分的理论值，T_effect表示有效的系统采样时间。

如图3所示为本发明所述参考子循环腔的结构示意图；参考子循环腔包括第六偏振控制器25、第二宽带光纤环行器26、第二助推光学放大器27、第二声光频移器28、第二光纤准直器29、第二透镜30、平面反射镜30。

第二声光频移器28的输入端作为参考子循环腔9的输入端，第六偏振控制器25的输出端作为参考子循环9的输出端。第二声光频移器28的输出端连接第二助推光学放大器27的输入端，第二助推光学放大器27的输出端与第二宽带光纤环行器26的输入端相连接，第二宽带光纤环行器26的第一输出端连接第二光纤准直器29的输入端，第二宽带光纤环行器26的第二输出端与第六偏振控制器25的输入端相连接，从而构成参考光路中的参考子循环腔9。

从第四宽带光纤耦合器8出射的其中一部分低相干光通过第二声光频移器28、第二助推光学放大器27和第二宽带光纤环行器26后，从第二宽带光纤环行器26的第一输出端进入第二光纤准直器29，从第二光纤准直器29出射的低相干光经过第二透镜30后射入平面反射镜30，随后从平面反射镜30反射回来的低相干光再依次经过第二光纤准直器29、第二宽带光纤环行器26的第一输出端、第二输出端和第六偏振控制器25后再次进入第四宽带光纤耦合器8。通过平衡参考光在参考子循环腔中的增益和损耗，该过程将重复N次，从参考子循环腔中出射的低相干光将与测量子循环腔中出射的低相干光形成相应循环腔级次的干涉。

如图4所示为本发明所述采样波数漂移校正单元的结构示意图；采样波数漂移校正单元包括第六宽带光纤耦合器32、光纤型布拉格衍射光栅33和第二高带宽平衡光电探测器34。

第六宽带光纤耦合器32的其中一个输入端作为采样波数漂移校正单元15的输入端，第二高带宽平衡光电探测器34的电信号输出端作为采样波数漂移校正单元15的电信号输出端，第六宽带光纤耦合器32的输出端与光纤型布拉格衍射光栅33的输入端相连接，第六宽带光纤耦合器32的另外一个输入端与第二高带宽平衡光电探测器34的其中一个输入端相连接，从而构成采样波数漂移校正单元15。图中实现部分为光纤，点划线部分为电路连接线。

从第一宽带光纤耦合器2出射的其中一部分低相干光经过第六宽带光纤耦合器32后，进入光纤型布拉格衍射光栅33。从光纤型布拉格衍射光栅反射回来的特定波长的窄带光再次经过第六宽带光纤耦合器32，从第六宽带光纤耦合器32的另一个输入端进入第二高带宽平衡光电探测器34。该单元利用光纤型布拉格衍射光栅只针对特定波长的窄带光谱进行反射这一特性，通过高速数据采集卡采集不同扫频周期的反射光谱信号，并对比不同扫频周期之间反射光谱的尖峰位置来计算采样波数的整体漂移点数，从而实现不同扫频周期之间采样波数整体漂移的校正，大大降低了系统中宽带扫频光源电子触发信号抖动对薄膜位相测量稳定性的影响。

如图5所示是本发明所述位相增强型薄膜厚度测量的信号处理流程图。首先高速数据采集卡对薄膜厚度测量单元和采样波数漂移校正单元所测得的信号进行同步采样，从而得到同步采样的测量干涉信号和用于采样波数整体漂移校正的窄带光谱信号。利用信号通道2所采集得到的窄带光谱信号计算不同扫频周期之间测量干涉信号的采样波数整体漂移点数，从而对测量干涉信号进行漂移点数的校正。如上文所述理论部分，随后对漂移校正后的测量干涉信号依次进行傅立叶变换、开窗滤波、移除相应光循环级次的载频量以及逆傅立叶变换，可以得到对应于不同光循环级次的复数形式的测量干涉信号。其中主光路干涉信号(即不经过参考子循环腔和测量子循环腔的干涉信号)可以看作是光循环级次为零的干涉光谱信号。且由于主光路探测得到的是具有固定光程差的干涉光谱，因而能够利用主光路上的干涉信号对经过两个子循环腔的干涉信号进行等波数标定。接着对等波数标定后的相应光循环级次的干涉信号解包裹位相进行线性拟合求取非线性位相。为了精确求得薄膜的非线性位相首先需要使用标准样品Ⅰ(即不引入类似薄膜反射位相的样品)测得系统的色散失陪量，随后利用待测薄膜样品测得的对应于不同光循环级次的非线性位相减去系统的色散失配量，最终求得放大了N倍的精确的薄膜非线性位相量，从而利用上述理论模型精确求解薄膜厚度值。

如图6是本发明所述薄膜非线性位相累积放大的实际效果示意图。对该系统测量得到的测量干涉信号进行如图5所示的信号处理后，能够得到放大了N倍的精确的薄膜非线性位相量。图6中分别展示了1320波段附近N＝1，N＝2以及N＝3的薄膜非线性位相量，薄膜的非线性位相得到了相应光循环级次倍数的放大，因而增强了薄膜位相探测的灵敏度(即薄膜非线性位相最大值和最小值之间的差值)。

Claims (5)

1. 一种位相增强型薄膜厚度测量方法，其特征在于：首先高速数据采集卡对薄膜厚度测量单元和采样波数漂移校正单元所测得的信号进行同步采样，从而得到同步采样的测量干涉信号和用于采样波数整体漂移校正的窄带光谱信号；利用一个信号通道对所采集得到的窄带光谱信号计算不同扫频周期之间测量干涉信号的采样波数整体漂移点数，从而对测量干涉信号进行漂移点数的校正，随后对漂移校正后的测量干涉信号依次进行傅立叶变换、开窗滤波、移除相应光循环级次的载频量以及逆傅立叶变换，可以得到对应于不同光循环级次的复数形式的测量干涉信号；其中主光路干涉信号看作是光循环级次为零的干涉光谱信号，由于主光路探测得到的是具有固定光程差的干涉光谱，利用主光路上的干涉信号对经过两个子循环腔的干涉信号进行等波数标定；接着对等波数标定后的相应光循环级次的干涉信号解包裹位相进行线性拟合求取非线性位相；使用标准样品Ⅰ测得系统的色散失陪量，随后利用待测薄膜样品测得的对应于不同光循环级次的非线性位相减去系统的色散失配量，最终求得放大了N倍的精确的薄膜非线性位相量，从而精确求解薄膜厚度值。

2.一种位相增强型薄膜厚度测量系统，包括宽带扫频光源、第一宽带光纤耦合器、薄膜厚度测量单元、采样波数漂移校正单元、高速数据采集卡和计算机；所述的薄膜厚度测量单元包括第二宽带光纤耦合器、第三宽带光纤耦合器、第四宽带光纤耦合器、第五宽带光纤耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第四偏振控制器、测量子循环腔、参考子循环腔、光纤延迟线和第一高带宽平衡光电探测器；

其特征在于：所述的宽带扫频光源通过第一宽带光纤耦合器分别与第二宽带光纤耦合器输入端和采样波数漂移校正单元输入端相连接，第二宽带光纤耦合器的两个输出端分别连接第一偏振控制器的输入端和第二偏振控制器的输入端；第一偏振控制器的输出端与第三宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接，第三宽带光纤耦合器的其中一个输出端连接测量子循环腔的输入端，测量子循环腔的输出端连接第三宽带光纤耦合器的另一个输入端，第三宽带光纤耦合器的另一个输出端与第三偏振控制器的输入端相连接，第三偏振控制器的输出端与第五宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接；第二偏振控制器的输出端与第四宽带光纤耦合器的其中一个输入端相连接，第四宽带光纤耦合器的其中一个输出端连接参考子循环腔的输入端，参考子循环腔的输出端连接第四宽带光纤耦合器的另一个输入端，第四宽带光纤耦合器的另一个输出端与光纤延迟线的输入端相连接，光纤延迟线的输出端与第四偏振控制器的输入端相连接，第四偏振控制器的输出端与第五宽带光纤耦合器的另一个输入端相连接；第五宽带光纤耦合器的两个输出端分别连接第一高带宽平衡光电探测器的两个输入端；采样波数漂移校正单元的电信号输出端和第一高带宽平衡光电探测器的电信号输出端分别连接高速数据采集卡的两个输入信号通道，高速数据采集卡的输出端与计算机相连接；宽带扫频光源的触发信号输出端与高速数据采集卡触发信号输入端相连接；

宽带扫频光源发出的低相干光进入第一宽带光纤耦合器后，一部分光进入薄膜厚度测量单元，另一部分光进入采样波数漂移校正单元；进入薄膜厚度测量单元的低相干光经过第二宽带光纤耦合器后分成两路，其中一路光经过第一偏振控制器后进入第三宽带光纤耦合器，另一路光经过第二偏振控制器后进入第四宽带光纤耦合器；进入第三宽带光纤耦合器的光分出一部分光经过第三偏振控制器后，进入第五宽带光纤耦合器；从第三宽带光纤耦合器输出的另一部分光通过测量子循环腔后第二次进入第三宽带光纤耦合器，第二次进入第三宽带光纤耦合器的低相干光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第五宽带光纤耦合器和第三次进入第三宽带光纤耦合器；以此类推，第N-1次进入第三宽带光纤耦合器的低相干光也沿上述路径到达第五宽带光纤耦合器和第N次进入第三宽带光纤耦合器；同样的进入第四宽带光纤耦合器分出一部分光依次经过光纤延迟线和第四偏振控制器后，进入第五宽带光纤耦合器；从第四宽带光纤耦合器输出的另一部分光通过参考子循环腔后第二次进入第四宽带光纤耦合器，第二次进入第四宽带光纤耦合器的低相干光同样被分成两部分，分别沿着上述路径到达第五宽带光纤耦合器和第三次进入第四宽带光纤耦合器；以此类推，第N-1次进入第四宽带光纤耦合器的低相干光也沿上述路径到达第五宽带光纤耦合器和第N次进入第四宽带光纤耦合器；上述所有进入第五宽带光纤耦合器的低相干光发生干涉，干涉信号经由第一高带宽平衡光电探测器进行探测；系统两个单元所探测得到的信号被高速数据采集卡同步采集，采集得到的信号传输到计算机的内存进行数据处理；高速数据采集卡的触发信号由宽带扫频光源产生。

3.根据权利要求2所述的一种位相增强型薄膜厚度测量系统，其特征在于：测量子循环腔包括第五偏振控制器、第一宽带光纤环行器、第一助推光学放大器、第一声光频移器、第一光纤准直器和第一透镜；

第一声光频移器的输入端作为测量子循环腔的输入端，第五偏振控制器的输出端作为测量子循环的输出端；第一声光频移器的输出端连接第一助推光学放大器的输入端，第一助推光学放大器的输出端与第一宽带光纤环行器的输入端相连接，第一宽带光纤环行器的第一输出端连接第一光纤准直器的输入端，第一宽带光纤环行器的第二输出端与第五偏振控制器的输入端相连接，从而构成测量光路中的测量子循环腔；

从第三宽带光纤耦合器出射的其中一部分低相干光通过第一声光频移器、第一助推光学放大器和第一宽带光纤环行器后，从第一宽带光纤环行器的第一输出端进入第一光纤准直器，从第一光纤准直器出射的低相干光经过第一透镜后射入待测薄膜样品，随后从待测薄膜样品反射回来的低相干光再依次经过第一光纤准直器、第一宽带光纤环行器的第一输出端、第二输出端和第五偏振控制器后再次进入第三宽带光纤耦合器；通过平衡测量光在测量子循环腔中的增益和损耗，该过程将重复N次，测量光束将对待测薄膜样品的同一横向位置处进行N次照射，实现对测量薄膜位相的N倍放大。

4.根据权利要求2所述的一种位相增强型薄膜厚度测量系统，其特征在于：参考子循环腔包括第六偏振控制器、第二宽带光纤环行器、第二助推光学放大器、第二声光频移器、第二光纤准直器、第二透镜和平面反射镜；

第二声光频移器的输入端作为参考子循环腔的输入端，第六偏振控制器的输出端作为参考子循环的输出端；第二声光频移器的输出端连接第二助推光学放大器的输入端，第二助推光学放大器的输出端与第二宽带光纤环行器的输入端相连接，第二宽带光纤环行器的第一输出端连接第二光纤准直器的输入端，第二宽带光纤环行器的第二输出端与第六偏振控制器的输入端相连接，从而构成参考光路中的参考子循环腔；

从第四宽带光纤耦合器出射的其中一部分低相干光通过第二声光频移器、第二助推光学放大器和第二宽带光纤环行器后，从第二宽带光纤环行器的第一输出端进入第二光纤准直器，从第二光纤准直器出射的低相干光经过第二透镜后射入平面反射镜，随后从平面反射镜反射回来的低相干光再依次经过第二光纤准直器、第二宽带光纤环行器的第一输出端、第二输出端和第六偏振控制器后再次进入第四宽带光纤耦合器；通过平衡参考光在参考子循环腔中的增益和损耗，该过程将重复N次，从参考子循环腔中出射的低相干光将与测量子循环腔中出射的低相干光形成相应循环腔级次的干涉。

5.根据权利要求2所述的一种位相增强型薄膜厚度测量系统，其特征在于：采样波数漂移校正单元包括第六宽带光纤耦合器、光纤型布拉格衍射光栅和第二高带宽平衡光电探测器；

第六宽带光纤耦合器的其中一个输入端作为采样波数漂移校正单元的输入端，第二高带宽平衡光电探测器的电信号输出端作为采样波数漂移校正单元的电信号输出端，第六宽带光纤耦合器的输出端与光纤型布拉格衍射光栅的输入端相连接，第六宽带光纤耦合器的另外一个输入端与第二高带宽平衡光电探测器的其中一个输入端相连接，从而构成采样波数漂移校正单元；

从第一宽带光纤耦合器出射的其中一部分低相干光经过第六宽带光纤耦合器后，进入光纤型布拉格衍射光栅；从光纤型布拉格衍射光栅反射回来的特定波长的窄带光再次经过第六宽带光纤耦合器，从第六宽带光纤耦合器的另一个输入端进入第二高带宽平衡光电探测器；该单元利用光纤型布拉格衍射光栅只针对特定波长的窄带光谱进行反射这一特性，通过高速数据采集卡采集不同扫频周期的反射光谱信号，并对比不同扫频周期之间反射光谱的尖峰位置来计算采样波数的整体漂移点数，从而实现不同扫频周期之间采样波数整体漂移的校正，大大降低了系统中宽带扫频光源电子触发信号抖动对薄膜位相测量稳定性的影响。