CN1117963C - 利用合成波长法实现纳米测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用合成波长法实现纳米测量的方法，选择能够获得两个波长λ₁和λ₂的激光光源，并设计一个参考干涉仪，在参考干涉仪的偏振分光元件外侧放置一个测量镜，使测量干涉仪中测量镜的纳米位移Δl₂代表被测位移，上述两个干涉仪的公共参考镜在合成波长量级的范围移动，则测量镜与参考镜之间的位移存在线性关系，即可完成了本发明的测量。本发明的方法具有纳米量级的位移测量精度，并且具有较强的环境抗干扰能力，低成本、易于实用化。

Description

利用合成波长法实现纳米测量的方法

技术领域

本发明涉及一种利用合成波长法实现纳米测量的方法，属于精密测量技术领域

背景技术

纳米计量学是20世纪最后十年才诞生的一门全新的学科。根据美国国家标准及技术研究所(NIST)的定义：纳米计量学是测量1纳米或更小的物体尺寸或物体确定性的科学。它是纳米科学的一个重要基础和分支，占有举足轻重的地位。例如，在过去35年的电子革命过程中，微电子技术的产生和发展使门电路的尺寸不断缩小，使得手持蜂窝式移动电话、地球低轨道上质量仅仅为10公斤的小型卫星广播系统，以及可以与70年代大型计算机相匹敌的个人计算机成为现实。在大规模集成电路的实践生产中0.25微米的刻线宽度已经是非常成熟的技术了，目前标志着先进程度的DRAM生产，已经能够生产出单片1千兆字节的芯片。而且美国、日本、韩国和台湾等国家和地区的集成电路生产厂家正在进行线宽0.15微米以下生产厂的建设。自从体硅腐蚀技术发明以来，人们发现可以用半导体制造技术批量生产许多宏观机械系统的样机，导致了微型机电系统(MEMS)的出现。目前利用这种技术生产的加速度计已经广泛应用于汽车的安全系统中。在海湾战争中，美国利用其先进的微纳米制造技术，制造并发射了数十颗质量在几十公斤的小型卫星在获取信息方面占据了主动，从而为战争的最后胜利奠定了基础。所有的这些都是与微纳米测量分不开的，因此纳米精度的测量对国民经济乃至军事领域都有着巨大的意义。

在已有技术中测量精度最高的光学方法是：F-P干涉仪方法(或称频率跟踪方法)

当光学谐振腔的腔长L与光波波长λ之间满足如下的关系时： $\mathrm{nL}=\frac{\mathrm{\λ}}{2}N=\frac{c}{2f}N,$ 将发生干涉相加，谐振腔的输出光强极大，式中N为干涉级次，c为光速，f为光波频率。如果锁定谐振腔的输出光强为极大，则当腔长改变δL时，会有频率的改变δf，二者的关系为 $\mathrm{\δf}=\frac{\mathrm{\δL}}{L}f$ 。经过与标准的碘稳频激光器比对，L、f值是可以测量得到的，则通过测量δf就可以得到δL。典型的光频为10¹⁴Hz，所以从理论讲这种方法的测量精度也是可以达到皮米量级的。

这个系统的工作过程是直接调制激光腔的腔镜，因此受F-P谐振腔出光条件和激光器输出光强的限制较大。系统对测量环境、测量过程等要求比较严格，目前只能工作在真空中。另外，由于F-P谐振腔腔镜的移动范围有限，测量过程中激光器的跳模现象限制了测量范围。

从目前的纳米测量手段来讲，普遍存在的问题是测量范围有限，对环境的敏感程度较高，需要严格的环境控制，实用化的程度比较低。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用合成波长法实现纳米测量的方法，克服现有纳米测量方案中上述的缺点，为纳米亚纳米测量提供了一种新的测量方法。

本发明提出的利用合成波长法实现纳米测量的方法，包括以下各步骤：

(1)选择能够获得两个波长λ₁和λ₂的激光光源，使其输出光波的偏振方向正交，其合成波长λ_s为10mm到500mm；

(2)设计一个参考干涉仪，该干涉仪包括上述的激光光源、一个参考镜、一个非偏振分光元件和一个偏振分光元件。非偏振分光元件位于激光光源和偏振分光元件之间，光源的出射光射向非偏振分光元件，反射光波射向参考镜，透射光射向偏振分光元件，由于偏振分光元件的作用，激光光源输出的光波中，一个偏振方向的光λ₁被其反射，在参考干涉仪中进行干涉，另一个偏振方向的光λ₂透射过偏振分光元件；

(3)在上述参考干涉仪的偏振分光元件外侧放置一个测量镜，该测量镜与上述参考干涉仪中的激光光源、非偏振分光元件和参考镜一起构成测量干涉仪，使λ₂在测量干涉仪中进行干涉；

(4)使测量干涉仪中测量镜的纳米位移Δl₂代表被测位移，上述两个干涉仪的公共参考镜在合成波长量级的范围移动，设位移为ΔL，则测量镜与参考镜之间的位移关系有： $\mathrm{\Δ}{l}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}$

计算出Δl₂，即完成了本发明的测量。

本发明提出的利用合成波长法实现纳米测量的方法，还有一种方案，包括以下各步骤：

(1)选择能够获得两个波长λ₁和λ₂的激光光源，使其输出光波的偏振方向正交，其合成波长λ_s为10mm到500mm；

(2)设计一个参考干涉仪，该干涉仪包括上述激光光源，一个反射镜和一个偏振分光元件，反射镜和偏振分光元件构成折叠腔式法布里-珀罗谐振腔的形式，光源的两个光波入射到法布里-珀罗谐振腔中，波长λ₁被偏振分光元件反射，在参考干涉仪中进行干涉，波长λ₂透射过偏振分光元件；

(3)在偏振分光元件的外侧放置一个测量镜，该测量镜和上述参考干涉仪中的激光光源、反射镜共同构成测量干涉仪，也具有折叠式法布里-珀罗谐振腔，波长λ₂在此干涉仪中干涉；

(4)使测量镜的纳米位移Δl₂代表被测位移，反射镜和偏振分光元件之间的距离变化为ΔL，二者之间的位移关系有： $\mathrm{\Δ}{l}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}$

计算出Δl₂，即完成了本发明的测量。

本发明提出的方法具有纳米量级的位移测量精度，并且具有较强的环境抗干扰能力，低成本、易于实用化。对纳米传感器的标定，实现长度的纳米传递，SPM的位置测量，解决各种微型军事装备的研究制造等纳米测量问题有着重要的理论和实际意义。为满足纳米尺度的测量和控制的需要，为微光学、微机械、集成光电子学等领域服务。

附图说明

附图1是利用合成波长法实现实现纳米位移测量的原理框图。

附图2是根据同样测量原理实现纳米测量的另外一种方案原理框图。

图1和图2中，1是激光光源，2是非偏振分光元件，3是参考镜，4是偏振分光元件，5是测量镜，6是偏振分光镜，7是接收器1，8是分光棱镜，9是接收器3，10是接收器2，11是反射镜。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明的内容。本发明的利用合成波长法实现纳米测量的方法中涉及到的测量原理可以有附图1和附图2的光路布置。首先按照附图1详细介绍该方法的纳米位移测量过程和扩大测量范围的原理。

附图1中存在两个干涉仪，其中参考干涉仪由激光光源、非偏振分光元件、偏振分光元件和参考镜组成，波长λ₁的光在此干涉仪中进行干涉；测量干涉仪由光源、非偏振分光元件、参考镜和测量镜组成，波长λ₂的光在这个干涉仪中干涉。

参考干涉仪和测量干涉仪是共光路结构：在非偏振分光元件和参考镜之间的参考臂中λ₁和λ₂走过的光程是一样的，在分光棱镜和偏振分光棱镜之间的这部分光路中也是一样的，只有在偏振分光元件和测量镜间的测量光路中是不同的。物理上这段距离充分小，以减小环境变化(例如温度变化、振动和空气扰动等因素)的干扰。这种共光路结构能够极大地消除外界扰动给测量信号带来的影响。

本方法中，光源采用稳频的He-Ne双纵模激光器，它的输出为偏振方向正交的两个线偏振光λ₁和λ₂，合成波长为λ_s。附图1中的偏振元件对λ₁形成反射，对λ₂形成透射。当光源输出的光λ₁和λ₂入射到非偏振分光元件上以后，波长λ₁的反射光射向参考镜形成参考干涉仪的参考臂；透射光射向偏振分光棱镜并被反射。当二者再一次汇合到分光棱镜上形成干涉，其干涉信号由接收器1接收，根据干涉仪原理其信号可以如下表示：

式中，L_ref为λ₁在参考干涉仪中的光程差，即参考镜、偏振分光元件分别到非偏振分光元件的光程之差。

波长λ₂入射到非偏振分光元件以后，反射光射向参考镜形成参考臂；透射光将穿过偏振分光元件射向测量镜。λ₂被参考镜和测量镜反射后，汇合到非偏振分光元件上形成干涉，在探测器2上形成又一路干涉信号，数学表达式为：

式中，L_meas是测量干涉仪中的光程差，即参考镜、测量镜分别到非偏振分光元件的光程之差。引入变量l₂＝L_meas-L_ref。

调整干涉仪测量镜与偏振分光元件之间的距离，使₁和₂同位相，数学描述为：Δ＝₁-₂＝0。

测量镜9给出被测位移Δl₂。则干涉信号变为：

          ₁′＝₁

保持两路信号的相位差不变，令测量干涉仪和参考干涉仪的公共参考镜产生位移ΔL，两路干涉信号的位相差变为：

根据相位差不变的条件有：

经过推导可以得到公式： $\mathrm{\Δ}{l}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}$

上式说明，测量镜纳米量级的位移可以被放大，利用对参考镜位移的测量而得到。如果光源选用0.6328μm波段He-Ne双纵模激光器，其输出的两个光波频率差约为Δν＝1000MHz，合成波长λ_s≈300mm，单波长λ₂＝0.6328μm。从上式可以看出，若被测位移的分辨率Δl₂＝1nm，则参考镜的位移应该为 $\mathrm{\ΔL}=\frac{{\mathrm{\λ}}_s}{{\mathrm{\λ}}_2}\mathrm{\Δ}{l}_2=\frac{300\mathrm{mm}}{0.6328\mathrm{\μm}}\×1\mathrm{nm}=0.474\mathrm{mm}$ ，即测量镜纳米量级的位移被放大到参考镜毫米量级的位移。这样，用普通的长度测量手段就能够实现高精度的测量。

为了扩大本方法的测量范围，在附图1中所示的方案中还增加了分光棱镜和接收器3，以实现对测量镜位移整数级次的测量。在空间上接收器3和接收器2相差λ₂/4条纹，因此其接收到的信号为：₃和₂构成通常干涉仪测量系统中典型的条纹判向和计数信号，利用这两个信号可以测量出测量镜位移过程中的干涉条纹整数级次的变化n。于是整个测量系统的位移表达式为 $\mathrm{\Δ}{l}_2=\frac{1}{2}n{\mathrm{\λ}}_2+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}$

上式即代表了最终的测量结果。计算出Δl₂，即完成了本发明的测量。

按照附图2介绍该方法的另外一种结构的纳米位移测量过程和扩大测量范围的原理。

附图2中存在一个参考干涉仪和一个测量干涉仪，其中参考干涉仪由激光光源、反射镜和偏振分光元件组成，波长λ₁的光在此干涉仪中进行干涉；测量干涉仪由激光光源、反射镜和测量镜组成，波长λ₂的光在此干涉仪中干涉。反射镜分别与偏振元件和测量镜构成两个折叠式法布里-珀罗谐振腔。

参考干涉仪和测量干涉仪是共光路结构，在反射镜和偏振分光元件之间的光程是一样的，只有在偏振分光元件和测量镜间的测量光路中是不同的。物理上这段距离充分小，以减小环境变化(例如温度变化、振动和空气扰动等因素)的干扰。这种共光路结构能够极大地消除外界扰动给测量信号带来的影响。

本方法中，光源采用稳频的He-Ne双纵模激光器，它的输出为偏振方向正交的两个线偏振光λ₁和λ₂，合成波长为λ_s。附图2中的偏振元件对对λ₂形成透射。当光源输出的光λ₁和λ₂透过反射镜，入射到偏振分光元件上以后，λ₁被反射，在反射镜和偏振元件组成的法布里-珀罗谐振腔中反射并产生干涉。其干涉信号由接收器1接收，根据干涉仪原理其信号可以如下表示：

式中，L_ref为λ₁在参考干涉仪中的光程差。

波长λ₂被偏振分光元件透射，射向测量镜，在由反射镜和测量镜组成的法布里-珀罗谐振腔中反射并产生干涉。在探测器2上形成λ₂的干涉信号，数学表达式为：

式中，L_meas是测量干涉仪中的光程差。

调整干涉仪反射镜与偏振分光元件之间的距离，使₁和₂同位相，数学描述为：Δ＝₁-₂＝0。

测量镜9给出被测位移Δl₂。则干涉信号变为：

              ₁′＝₁ 令测量镜和偏振元件之间的距离变化ΔL，并在测量中保持两路信号的相位差不变，则有：

根据相位差不变的条件有：

经过推导可以得到公式： $\mathrm{\Δ}{l}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}$

上式即为纳米测量的原理公式。

为了扩大本方法的测量范围，在附图2中所示的方案中还可以增加如附图1中的分光棱镜和接收器3。它们原理一样，从略。最终的测量公式亦为： $\mathrm{\Δ}{l}_2=\frac{1}{2}n{\mathrm{\λ}}_2+\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}$ 计算出Δl₂，即完成了测量。

Claims (2)

1、一种利用合成波长法实现纳米测量的方法，其特征在于，该方法包括以下各步骤：

(1)选择能够获得两个波长λ₁和λ₂的激光光源，使其输出光波的偏振方向正交，其合成波长λ_s为10mm到500mm；

(2)设计一个参考干涉仪，该干涉仪包括上述的激光光源、一个参考镜、一个非偏振分光元件和一个偏振分光元件，非偏振分光元件位于激光光源和偏振分光元件之间，光源的出射光射向非偏振分光元件，反射光波射向参考镜，透射光射向偏振分光元件，由于偏振分光元件的作用，激光光源输出的光波中，一个偏振方向的光λ₁被其反射，在参考干涉仪中进行干涉，另一个偏振方向的光λ₂透射过偏振分光元件；

(3)在上述参考干涉仪的偏振分光元件外侧放置一个测量镜，该测量镜与上述参考干涉仪中的激光光源、非偏振分光元件和参考镜一起构成测量干涉仪，使λ₂在测量干涉仪中进行干涉；

(4)使测量干涉仪中测量镜的纳米位移Δl₂代表被测位移，上述两个干涉仪的公共参考镜在合成波长量级的范围移动，设位移为ΔL，则测量镜与参考镜之间的位移关系有： $\mathrm{\Δ}{l}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}$

计算出Δl₂，即完成了本发明的测量。

2、一种利用合成波长法实现纳米测量的方法，其特征在于，该方法包括以下各步骤：

(1)选择能够获得两个波长λ₁和λ₂的激光光源，使其输出光波的偏振方向正交，其合成波长λ_s为10mm到500mm；

(2)设计一个参考干涉仪，该干涉仪包括上述激光光源，一个反射镜和一个偏振分光元件，反射镜和偏振分光元件构成折叠腔式法布里-珀罗谐振腔的形式，光源的两个光波入射到法布里-珀罗谐振腔中，波长λ₁被偏振分光元件反射，在参考干涉仪中进行干涉，波长λ₂透射过偏振分光元件；

(3)在偏振分光元件的外侧放置一个测量镜，该测量镜和上述参考干涉仪中的激光光源、反射镜共同构成测量干涉仪，即为折叠式法布里-珀罗谐振腔，波长λ₂在此干涉仪中干涉；

(4)使测量镜的纳米位移Δl₂代表被测位移，反射镜和偏振分光元件之间的距离变化为ΔL，二者之间的位移关系有： $\mathrm{\Δ}{l}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_s}\mathrm{\ΔL}$

计算出Δl₂，即完成了测量。

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