CN108844470B - 一种基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置和方法，其中，基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置包括：泵浦激光器、微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机；所述泵浦激光器输出的激光通过微腔至第一反射镜和第二反射镜，反射镜合并送入分光光谱仪，最终至计算机。本发明提供的空气折射率测量装置通过泵浦激光器、微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机，在保证高精度长度测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，采用微腔锁模激光，可减小光源体积，提高系统集成度，使测试系统易于实现小型仪器化。

Description

一种基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置和方法

技术领域

本发明涉及距离测量技术领域，特别涉及一种基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置和方法。

背景技术

随着半导体工艺技术的蓬勃发展，对于长度相关的精密测量提出了更高要求。光刻机作为半导体器件生产的核心设备，长度量测量的精度和准确度制约着半导体器件的综合性能。2016年，我国自主研制的光刻机成功验收。其中的长度量测量依赖于集成的HeNe双频激光器。然而，由于光学器件存在不完美的偏振隔离度，测量中会产生偏振混叠，在半波长内存在纳米量级的非线性误差，无法满足测量需求。

基于色散干涉法的宽带激光绝对距离测量技术为nm量级长度量测量提供新的技术支撑。此前，此类测量装置主要采用常规100MHz-1.5GHz重复频率的锁模激光器。然而，在测量后端，色散光谱探测部件因无法分辨单纵模而引入测量误差。因此，通常在色散光谱探测部件前段插入虚拟相位阵列或直接对锁模激光器进行模式滤除。显然，系统结构复杂，体积庞大，不利于测量系统集成于光刻机中。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供一种基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置和方法。

本实施例提供的一种基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置，包括：微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机；

入射激光束在微腔内产生光学非线性效应，获得宽带频域内的纵模梳状离散分布的激光束；

所述激光束经分束器产生两路光束，第一路光束经第一反射镜反射，作为参考光束，第二路光束经第二反射镜反射，作为测量光束；

所述参考光束和测量光束重合后，入射至分光光谱仪进行处理，获得待分析数据；

所述计算机基于所述待分析数据，计算得到微腔激光绝对距离。

可选地，该装置进一步包括：作为激光束光源的泵浦激光器。

可选地，分光光谱仪包括：光栅、第三反射镜及线阵CCD；

重合光束经光栅分光后，由第三反射镜传输至线阵CCD。

可选地，所述线阵CCD采集到的宽带相干激光的色散干涉g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν)；

其中，ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为待测绝对距离，c为光速。

可选地，所述计算机确定相位变化斜率与待测绝对距离满足如下公式：

其中，n_g为空气群折射率。

可选地，所述泵浦激光器输出的激光通过光波导或光纤进入微腔。

可选地，所述第三反射镜用于增加径向距离。

可选地，所述光栅将所述相位干涉光束分为不同频率的多个光束。

基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量方法，该方法的步骤包括：

对入射激光束进行处理，获得宽带离散激光束；

将所述宽带离散激光束分为参考光束和测量光束，并将两路光束分别经镜面反射后重合；

对重合光束进行采集，获得待分析数据；

基于所述待分析数据，计算得到微腔激光绝对距离。

可选地，所述待分析数据中，采集得到的宽带相干激光的色散干涉g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν)；

其中，ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为待测绝对距离，c为光速；

所述基于所述待分析数据，计算得到微腔激光绝对距离的步骤中，确定相位变化斜率与待测绝对距离满足如下公式：

其中，n_g为空气群折射率。

有益效果如下：

空气折射率测量装置通过泵浦激光器、微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机，在保证高精度长度测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，采用微腔锁模激光，可减小光源体积，提高系统集成度，使测试系统易于实现小型仪器化。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的具体实施例，其中：

图1为本发明实施例中的一种空气折射率测量装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中的一种空气折射率测量装置的数据处理流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

基于色散干涉法的宽带激光绝对距离测量技术为nm量级长度量测量提供新的技术支撑。此前，此类测量装置主要采用常规100MHz-1.5GHz重复频率的锁模激光器。然而，在测量后端，色散光谱探测部件因无法分辨单纵模而引入测量误差。因此，通常在色散光谱探测部件前段插入虚拟相位阵列或直接对锁模激光器进行模式滤除。显然，系统结构复杂，体积庞大，不利于测量系统集成于光刻机中。

基于此，本发明实施例提供了一种空气折射率测量装置，通过泵浦激光器、微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机，在保证高精度长度测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，采用微腔锁模激光，可减小光源体积，提高系统集成度，使测试系统易于实现小型仪器化。

本实施例提供的空气折射率测量装置，包括：泵浦激光器、微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机。

泵浦激光器输出的激光通过微腔至第一反射镜和第二反射镜，反射镜合并送入分光光谱仪，最终至计算机。

泵浦激光器输出的激光通过光波导或光纤进入微腔。

分束器将激光分为2束，1束至第一反射镜，1束至第二反射镜。2光束在分束器合并送入分光光谱仪。

具体地，1束被反射至第一反射镜，作为参考光束，1束透射至第二反射镜，作为测量光束。

另外，分光光谱仪包括：光栅、第三反射镜及线阵CCD；

激光经光栅经第三反射镜至线阵CCD。第三反射镜用于增加径向距离。光栅对光束分光。

其中，线阵CCD采集到的宽带相干激光的色散干涉g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν)。

ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为待测绝对距离，c为光速。

另外，计算机确定相位变化斜率与待测绝对距离满足如下公式：

其中，n_g为空气群折射率。

上述空气折射率测量装置为一种基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置。在保证高精度长度测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，采用微腔锁模激光，可减小光源体积，提高系统集成度，并且使测试系统易于实现小型仪器化。

图1示出了本实施例提供的空气折射率测量装置的一种实现结构。包括泵浦激光器、微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机。其中，分光光谱仪可直接使用商用光谱仪，也可自行搭建，其主要部件包括光栅、反射镜3及线阵CCD。

近些年，光电子技术的飞速发展产生了微腔锁模激光产生技术。单频窄线宽(<200kHz)激光器通过光波导或光纤直接泵浦微腔，可以产生宽带、相干离散激光纵模序列。由于微腔的直径一般小于1mm，因此，纵模间隔为数十GHz，达到光栅分光能力。利用微腔锁模激光的色散干涉绝对距离测量可显著减小系统体积，提高测量系统集成能力。

首先，泵浦激光器通过光波导或光纤直接微腔，可以产生宽带、相干离散激光纵模序列。宽带激光经分束器分为两束，一束被反射到反射镜1作为参考光束，另一束透射至反射镜2作为测量光束。参考光束与测量光束历经不同光程，在分束器重合并送入分光光谱仪中。实际中，亦可自行搭建分光光谱仪。光栅对重合光束分光，不同频率的干涉光束被线阵CCD探测采集。采用反射镜3增加径向距离，可提高光谱空间分辨能力。线阵CCD将测量数据传输至计算机中，完成数据处理，计算出绝对距离。

线阵CCD采集到的宽带相干激光的色散干涉可表示为

g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν) (1)

其中，ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为待测绝对距离，c为光速。

公式(1)的复数表达式为

对公式(2)作傅里叶变换为

其中，t为距离引起的时延，δ(t)为狄拉克函数。可以看到，公式(3)中的α携带了距离信息，对G(t)滤波并进行傅里叶反变换，得到

g′(ν)中的相位项可通过反正切函数解算

反正切函数计算值位于[-π,π]，对其解包裹得到连续变化的相位信息，相位变化斜率为

其中，n_g为群折射率。至此，公式(6)建立了相位变化斜率与绝对距离L的联系。测量中，折射率可通过Edlén公式得到，并代入公式(6)中。

图2给出了数据处理流程示意图。图2为色散干涉法绝对距离测量数据处理流程。数据处理由计算机中预先编写的程序处理完成。线阵CCD探测采集色散干涉光谱(a)，对其作傅里叶变换得到(b)，滤波后保留虚线框部分信息。对这部分信息作傅里叶反变换，并对实部与虚部作反正切，获得包裹相位(c)。进行解包裹运算后得到连续相位。拟合相位斜率，代入公式(6)可计算出待测绝对距离。

有益效果：空气折射率测量装置通过泵浦激光器、微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机，在保证高精度长度测量的前提下，根据光谱色散干涉原理，采用微腔锁模激光，可减小光源体积，提高系统集成度，使测试系统易于实现小型仪器化。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的型号、连接方式等均可有所变化，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量装置，其特征在于，包括：作为激光束光源的泵浦激光器、微腔、分束器、第一反射镜、第二反射镜、分光光谱仪及计算机；

所述泵浦激光器输出的激光通过光波导或光纤进入微腔,产生宽带、相干离散激光纵模序列，纵模间隔为数十GHz；

入射激光束在微腔内产生光学非线性效应，获得宽带频域内的纵模梳状离散分布的激光束；

所述激光束经分束器产生两路光束，第一路光束经第一反射镜反射，作为参考光束，第二路光束经第二反射镜反射，作为测量光束；

所述参考光束和测量光束重合后，入射至分光光谱仪进行处理，获得待分析数据；

所述计算机基于所述待分析数据，计算得到微腔激光绝对距离；

分光光谱仪包括：光栅、第三反射镜及线阵CCD；

所述第三反射镜用于增加径向距离；

所述光栅将相位干涉光束分为不同频率的多个光束；

重合光束经光栅分光后，由第三反射镜传输至线阵CCD；

所述线阵CCD采集到的宽带相干激光的色散干涉g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν)；

其中，ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为待测绝对距离，c为光速；

对上述公式做傅里叶变换为：

对上述公式滤波并进行傅里叶反变换，得到

相位项通过反正切函数解算：

反正切函数计算值位于[-π,π]，对其解包裹得到连续变化的相位信息；

所述计算机确定相位变化斜率与待测绝对距离满足如下公式：

其中，n_g为空气群折射率。

2.基于色散干涉法的微腔激光绝对距离测量方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

对入射激光束进行处理，获得宽带离散激光束；

将所述宽带离散激光束分为参考光束和测量光束，并将两路光束分别经镜面反射后重合；

对重合光束进行采集，获得待分析数据；

基于所述待分析数据，计算得到微腔激光绝对距离；

所述待分析数据中，采集得到的宽带相干激光的色散干涉g(ν)＝a(ν)+b(ν)cosΦ(ν)；

其中，ν为纵模频率，a(ν)为干涉光束的平均强度，b(ν)为干涉调制幅度，Φ(ν)为干涉光束相位差，Φ(ν)＝2πνα，

n(ν)为空气相折射率，L为待测绝对距离，c为光速；

所述基于所述待分析数据，计算得到微腔激光绝对距离的步骤中，确定相位变化斜率与待测绝对距离满足如下公式：

其中，n_g为空气群折射率。

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