CN112697052A - 一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置及方法，方法包括：(1)薄膜冷凝前，移动控制模块将基底表面成像至探测器上；(2)采集干涉图并使用移相算法获取整体基底相位分布和系统误差分布；(3)冷凝薄膜形成后，移动控制模块将探测器成像位置对准薄膜最高位置表面；(4)使用移相算法获取干涉图计算不同位置对应的相位信息，进一步得到冷凝薄膜区域包含多光束干涉影响的相位分布；(5)利用建模技术计算薄膜多光束干涉相位与测量光无多光束干涉情况下经过薄膜的理论相位的校正函数关系，并进一步计算校正测量相位；(6)计算得到薄膜厚度分布。利用本发明，可实现对慢化组件气体冷凝薄膜厚度的非接触、快速、高精度测量。

Description

一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，尤其是涉及一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置及方法。

背景技术

自1936年在观察宇宙射线过程中发现缪子以来，缪子科学取得了长足的发展。近年来，利用能量在零到几十keV之间的低能缪子(LE-u⁺)开辟了缪子基础与应用学科研究的新领域。例如，通过使用LE-u⁺作为显微探针，可以研究薄膜、多层结构或者表面中的局部磁场，并且通过改变其能量，可以实现不同深度的探测。

在产生LE-u⁺的各种方法中，最有效简单且有效的方法是对高能缪子束进行慢化。当中子源产生的高能缪子束经过有冷基底箔跟范德华气体(稀有气体或氮气)冷凝薄膜组成的慢化组件后，将有10^-5-10^-4的入射粒子能量降低为10eV，可作为LE-u⁺的来源。为了提高慢化的效率，对气体冷凝薄膜层的厚度分布精准控制尤为重要，因此需要高精度冷凝薄膜测量技术，测量气体固态薄膜的厚度分布。

慢化组件中气体冷凝薄膜层厚度需要控制在100nm到400nm之间，薄膜产生区域约为边长为50mm的方形区域。使用一般的波面干涉仪进行薄膜厚度测量，因为多光束干涉所产生的相位偏移的影响，无法得到高精度的测量结果。使用常见的光学薄膜测量方法例如光谱法及椭偏法，虽然可以精确获取单点的薄膜厚度，但是一次性无法获取到整体冷凝薄膜的厚度分布信息。此外由于慢化组件都需要放置在低温真空腔，该类方法一般需要入射测量光有一定倾角或改变测量光角度，这将需要极大的测量空间，很难适应特定的使用环境中。使用光谱分辨移相白光干涉仪或改进的干涉显微镜等设备可以获取薄膜厚度的二维分布信息。但是测量光学系统中的核心部件显微镜的工作距离较短，需要镜头紧贴待测薄膜，而在真空及低温室中因为结构原因很难实现。此外由于显微镜视场较小，想要实现50mm区域分布测量，需要长时间测量，测量效率极低，不同视场拼接过程也会引入拼接误差。

因此，需要更加高效且高精度的手段，实现对于慢化组件中气体冷凝薄膜厚度分布的测量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种针对低温真空室内的低温慢化组件中气体冷凝薄膜层厚度分布的干涉测量装置与方法。实现对其非接触式、快速、高精度测量。

一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置，包括干涉测量模块和五维自由度控制模块；

所述的干涉测量模块包括安装在安装板上的线偏振激光器、二分之一波片、扩束准直系统、偏振分光棱镜、四分之一波片、参考平面镜、望远镜、线偏振片、远心成像系统、压电陶瓷和探测器；

线偏振激光器出射的光束经过二分之一波片后被扩束准直系统扩束为小口径平行光，平行光继续向前传播被偏振分光棱镜分光，分为参考路和测量路两路光线；其中，参考路的透射平行偏振光继续向前传播，透过四分之一波片后被参考平面镜反射，原路返回作为参考光；测量路的反射垂直偏振光先经过四分之一波片后被望远镜扩束为较大口径平行光，进而向前传播透过慢化组件上的气体冷凝薄膜后被慢化组件的基底反射，继而再次通过气体冷凝薄膜原路返回，作为测量光；参考光与测量光均两次经过四分之一波片后偏振态发生转换，进入成像光路；最终测量光与参考光在偏振分光棱镜后的线偏振片处发生干涉，经远心成像系统成像于探测器处；所述的参考平面镜后安装有压电陶瓷用于移相；

所述干涉测量模块的安装板安装在五维自由度控制模块上，通过五维自由度控制模块实现干涉测量模块的三维平移及二维旋转，用于进行干涉图及成像位置调节。在不需要测量时，可将干涉测量模块移开工作位置。

进一步地，所述的五维自由度控制模块包括X、Y、Z轴导轨以及X、Y方向俯仰台。

所述的二分之一波片可以旋转，用于调节测量路与参考路光强，以适用于不同材质的慢化组件基底。

本发明还提供了一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量方法，使用上述慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置，包括以下步骤：

(1)在进行薄膜冷凝之前，先使用五维自由度控制模块移动干涉测量模块到达工作位置；继而进行姿态调整，使得慢化组件基底干涉图处于近似零条纹状态；然后进行精准对焦，通过望远镜及远心成像系统组合成像，将基底表面成像至探测器上；

(2)采集干涉图并使用移相算法获取整体基底相位分布，并使用多项式拟合相位分布，去除测量结果中的倾斜相位分量后获取系统误差分布

采集完成后，使用五维自由度控制模块将干涉测量模块移开测量位置，便于在低温慢化组件上喷气冷凝形成固态薄膜；

(3)在冷凝薄膜形成后，使用五维自由度控制模块控制干涉测量系统到达测量位置；并进行位置及姿态进行调整，使得冷凝薄膜基底干涉图处于近似零条纹状态，并且探测器成像位置对准薄膜最高位置表面；

(4)使用移相算法获取干涉图不同位置对应的相位信息

对基底区域相位结果进行多项式拟合得到基底倾斜相位分量，在

中移除系统误差及基底倾斜相位分量后获得相位分布信息

继而根据基底无薄膜区域的相位计算得到冷凝薄膜区域包含多光束干涉影响的相位分布φ_M(x,y)；

(5)根据多光束干涉理论及计算机建模技术，计算薄膜多光束干涉相位φ_M(x,y)与测量光无多光束干涉情况下经过薄膜的理论相位φ_S(x,y)的校正函数关系φ_S＝f(φ_M)，并根据函数关系计算得到校正测量相位φ_S(x,y)；

(6)根据校正测量相位结果，计算得到薄膜厚度分布d(x,y)。

步骤(4)中，根据基底无薄膜区域的相位计算得到冷凝薄膜区域包含多光束干涉影响的相位分布φ_M(x,y)的具体过程为：

在透射式测量中，测量目标为厚度100-400nm的气体冷凝薄膜引入的额外相位与基底位置相位差不会超过2π，故

式中，n为气体冷凝薄膜折射率，φ_B为去除系统误差跟基底倾斜相位分量后，基底区域相位的平均值。

步骤(5)的具体过程为：

使用计算机进行仿真建模，计算得到校正函数；在测量光因为气体冷凝薄膜发生多光束干涉时，模型中测量光复振幅表示为

式中，A为测量路入射光复振幅，r₁与r₂分别为薄膜上表面及薄膜与基底界面的反射系数，φ_S*及φ_air*分别表示模型中测量光单次往返通过冷凝薄膜及薄膜表面与成像面之间的空气层时产生的相位变化，测量光垂直入射情况下可得

式中，λ为测量光所用波长，d_max*为模型中薄膜最大厚度，也是成像面位置，d*为建模的冷凝薄膜待求解相位位置的厚度，参考光的复振幅表示为

A_ref＝r₃exp(iδ_ref)A' (4)

式中，A'为参考路入射光复振幅，r₃为参考镜反射系数，在计算机中模拟得到不同厚度气体冷凝薄膜干涉图

I＝(A_test+A_ref)·conj(A_test+A_ref) (5)

式中，conj表示复数共轭运算，通过对干涉图使用相位解调算法及式(1)，即可解得受到多光束干涉影响的干涉图相位φ_M*，通过求解不同厚度薄膜对应关系，即可建立多光束干涉相位与测量光无多光束干涉情况下经过薄膜的理论相位的函数关系φ_S*＝f(φ_M*)，当系统中模型参数与实际实验系统一致时，相当于获得了实验系统相位结果校正函数关系φ_S＝f(φ_M)；对于慢化组件所使用的稀有气体及氮气冷凝薄膜，校正函数为单调函数，φ_M与φ_S一一对应，即可求解得到φ_S。

步骤(6)的具体方法为：

测量光单次通过薄膜进而被基底反射，沿原路返回，相当于两次通过相同厚度位置薄膜，则薄膜厚度分布为

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可直接应用于真空系统中慢化组件冷凝薄膜测量，正对慢化组件进行测量，工作距离远，可以规避慢化组件周围的其他制冷、喷气器件等，极大地节省了真空腔内空间；另一方面，系统可以一次实现较大范围内薄膜厚度分布测量，无需拼接或扫描等其他操作，极大地提高了测量效率，减小了制冷系统等振动因素对测量结果影响，有效地提高了测量精度。通过本发明测量方法，以光波长作为厚度测量手段，通过系统建模手段消除了薄膜多光束干涉产生的测量误差影响，可以进一步提高薄膜厚度的测量精度。

附图说明

图1为本发明一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置示意图；

图2为本发明实施例中建模校正函数的结果图；

图3为本发明实施例中慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置，包括干涉测量模块和五维自由度控制模块。

干涉测量模块，由稳频线偏振激光器1出射的光束经过反射镜2反射，经二分之一波片3调整偏振态后被扩束准直系统4扩束为小口径平行光，平行光继续向前传播被偏振分光棱镜5分为两路光：一路透射平行偏振光继续向前传播，经过四分之一波片6后被参考平面镜7反射，原路返回再次经过四分之一波片6作为参考光；另一路反射垂直偏振光首先经过四分之一波片9后被望远镜10扩束为较大口径平行光，进而向前传播首先透过气体冷凝薄膜11被慢化组件基底12反射，继而再次透过气体冷凝薄膜11后原路返回作为测量光；参考光与测量光均两次经过四分之一波片，偏振态发生转换，进入成像光路；最终测量光与参考光在偏振分光棱镜5后的线偏振片13处发生干涉，经远心成像系统14成像于探测器15处；参考平面镜7后安装有压电陶瓷8用于移相；所有元件均固定在安装板16上。

五维自由度控制模块17，包括X，Y，Z轴导轨和X，Y方向俯仰台。干涉测量模块的安装板16安装在五维自由度控制模块17上，通过控制模块可以实现干涉测量模块的三维平移及二维旋转。

利用上述慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：

步骤1、在进行薄膜冷凝之前，先使用五维自由度控制模块17移动干涉测量模块到达工作位置。继而进行姿态进行调整，使得慢化组件基底干涉图处于近似零条纹状态，并且进行精准对焦，通过望远镜及远心成像系统组合成像，将基底表面成像至探测器上。

步骤2、采集干涉图并使用移相算法获取整体基底相位分布，并使用多项式拟合相位分布，进而去除测量结果中的倾斜相位分量后获取系统误差分布

采集完成后，使用五维自由度控制模块将干涉测量系统从移开测量位置，便于在低温慢化组件上喷气冷凝形成固态薄膜。

步骤3、在冷凝薄膜形成后，使用五维自由度控制模块控制干涉测量系统到达测量位置。并进行位置及姿态进行调整，使得冷凝薄膜基底干涉图处于近似零条纹状态，并且探测器成像位置对准薄膜最高位置表面。

步骤4、使用移相算法获取干涉图不同位置对应的相位信息

对基底区域相位结果进行多项式拟合得到基底倾斜相位分量，在

中移除系统误差及基底倾斜相位分量后获得相位分布信息

继而根据式(1)计算得到冷凝薄膜区域包含多光束干涉影响的相位分布φ_M(x,y)；

步骤5、根据慢化组件基底、使用气体参数及干涉测量系统参数，利用计算机建模式(2)-式(5)计算薄膜多光束干涉相位φ_M(x,y)与测量光无多光束干涉情况下经过薄膜的理论相位φ_S(x,y)的校正函数关系φ_S＝f(φ_M)，并根据函数关系计算得到校正测量相位φ_S(x,y)；

步骤6、根据式(6)，计算得到薄膜厚度分布d(x,y)。

为验证本发明的效果，现使用本发明的装置与方法对慢化组件气体冷凝薄膜厚度进行仿真测量。仿真中使用的慢化组件基底为银箔，反射系数为0.9，使用稀有气体为氩气，冷凝为固态后折射率为1.29。参考路是高反射率反射镜，反射率为99％，系统测量光源为632nm稳频He-Ne激光器。使用当前系统参数，建模计算得到的校正函数，如图2所示。

以50mm直径区域的冷凝气体薄膜为例，冷凝薄膜厚度真实值如图3中(a)所示，可见薄膜生长厚度介于50.32nm-221.07nm之间。使用计算机模拟光线追迹软件获得该形状薄膜干涉图，直接使用移相法进行相位解调，在移除系统误差及基底倾斜相位分量后计算得到的包含多光束干涉的相位分布如图3中(b)所示。图中圆形口径外的区域为基底银箔，因此相位为0，可以看到有薄膜部分相位分布相对于图3中(a)差别很大，这主要是由于多光束干涉存在，导致干涉图相位与薄膜厚度不直接成线性关系。使用本发明所述测量方法，结合图2所示的校正函数，从图3中(b)计算得到修正后薄膜厚度分布，结果如图3中(c)所示。测量的薄膜厚度分布介于50.339nm-221.078nm之间，与真实厚度分布绝对误差如图3中(d)所示，最大误差仅为0.1225nm，相对误差小于0.1％。该方法精度主要取决于对于校正函数的拟合，如果可以在计算机中进行精确系统建模，则可以获得极高的测量精度。

综上所示，本发明的装置及方法可以在受到多光束干涉干扰情况下，实现对于慢化组件气体冷凝薄膜的高精度厚度分布非接触式、快速、高精度测量。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置，其特征在于，包括干涉测量模块和五维自由度控制模块；

所述的干涉测量模块包括安装在安装板上的线偏振激光器、二分之一波片、扩束准直系统、偏振分光棱镜、四分之一波片、参考平面镜、望远镜、线偏振片、远心成像系统、压电陶瓷和探测器；

线偏振激光器出射的光束经过二分之一波片后被扩束准直系统扩束为小口径平行光，平行光继续向前传播被偏振分光棱镜分光，分为参考路和测量路两路光线；其中，参考路的透射平行偏振光继续向前传播，透过四分之一波片后被参考平面镜反射，原路返回作为参考光；测量路的反射垂直偏振光先经过四分之一波片后被望远镜扩束为较大口径平行光，进而向前传播透过慢化组件上的气体冷凝薄膜后被慢化组件的基底反射，继而再次通过气体冷凝薄膜原路返回，作为测量光；参考光与测量光均两次经过四分之一波片后偏振态发生转换，进入成像光路；最终测量光与参考光在偏振分光棱镜后的线偏振片处发生干涉，经远心成像系统成像于探测器处；所述的参考平面镜后安装有压电陶瓷用于移相；

所述干涉测量模块的安装板安装在五维自由度控制模块上，通过五维自由度控制模块实现干涉测量模块的三维平移及二维旋转，用于进行干涉图及成像位置调节。

2.根据权利要求1所述的慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置，其特征在于，所述的五维自由度控制模块包括X、Y、Z轴导轨以及X、Y方向俯仰台。

3.一种慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量方法，其特征在于，使用权利要求1所述的慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量装置，包括以下步骤：

(1)在进行薄膜冷凝之前，先使用五维自由度控制模块移动干涉测量模块到达工作位置；继而进行姿态调整，使得慢化组件基底干涉图处于近似零条纹状态；然后进行精准对焦，通过望远镜及远心成像系统组合成像，将基底表面成像至探测器上；

(2)采集干涉图并使用移相算法获取整体基底相位分布，并使用多项式拟合相位分布，去除测量结果中的倾斜相位分量后获取系统误差分布

采集完成后，使用五维自由度控制模块将干涉测量模块移开测量位置，便于在低温慢化组件上喷气冷凝形成固态薄膜；

(3)在冷凝薄膜形成后，使用五维自由度控制模块控制干涉测量系统到达测量位置；并进行位置及姿态进行调整，使得冷凝薄膜基底干涉图处于近似零条纹状态，并且探测器成像位置对准薄膜最高位置表面；

(4)使用移相算法获取干涉图不同位置对应的相位信息

对基底区域相位结果进行多项式拟合得到基底倾斜相位分量，在

中移除系统误差及基底倾斜相位分量后获得相位分布信息

继而根据基底无薄膜区域的相位计算得到冷凝薄膜区域包含多光束干涉影响的相位分布φ_M(x,y)；

(5)根据多光束干涉理论及计算机建模技术，计算薄膜多光束干涉相位φ_M(x,y)与测量光无多光束干涉情况下经过薄膜的理论相位φ_S(x,y)的校正函数关系φ_S＝f(φ_M)，并根据函数关系计算得到校正测量相位φ_S(x,y)；

(6)根据校正测量相位结果，计算得到薄膜厚度分布d(x,y)。

4.根据权利要求3所述的慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量方法，其特征在于，步骤(4)中，根据基底无薄膜区域的相位计算得到冷凝薄膜区域包含多光束干涉影响的相位分布φ_M(x,y)的具体过程为：

在透射式测量中，测量目标为厚度100-400nm的气体冷凝薄膜引入的额外相位与基底位置相位差不会超过2π，故

式中，n为气体冷凝薄膜折射率，φ_B为去除系统误差跟基底倾斜相位分量后，基底区域相位的平均值。

5.根据权利要求3所述的慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量方法，其特征在于，步骤(5)的具体过程为：

使用计算机进行仿真建模，计算得到校正函数；在测量光因为气体冷凝薄膜发生多光束干涉时，模型中测量光复振幅表示为

式中，A为测量路入射光复振幅，r₁与r₂分别为薄膜上表面及薄膜与基底界面的反射系数，φ_S*及φ_air*分别表示模型中测量光单次往返通过冷凝薄膜及薄膜表面与成像面之间的空气层时产生的相位变化，测量光垂直入射情况下可得

式中，λ为测量光所用波长，d_max*为模型中薄膜最大厚度，也是成像面位置，d*为建模的冷凝薄膜待求解相位位置的厚度，参考光的复振幅表示为

A_ref＝r₃exp(iδ_ref)A' (4)

式中，A'为参考路入射光复振幅，r₃为参考镜反射系数，在计算机中模拟得到不同厚度气体冷凝薄膜干涉图

I＝(A_test+A_ref)·conj(A_test+A_ref) (5)

式中，conj表示复数共轭运算，通过对干涉图使用相位解调算法及式(1)，即可解得受到多光束干涉影响的干涉图相位φ_M*，通过求解不同厚度薄膜对应关系，即可建立多光束干涉相位与测量光无多光束干涉情况下经过薄膜的理论相位的函数关系φ_S*＝f(φ_M*)，当系统中模型参数与实际实验系统一致时，相当于获得了实验系统相位结果校正函数关系φ_S＝f(φ_M)；对于慢化组件所使用的稀有气体及氮气冷凝薄膜，校正函数为单调函数，φ_M与φ_S一一对应，即可求解得到φ_S。

6.根据权利要求3所述的慢化组件气体冷凝薄膜厚度分布测量方法，其特征在于，步骤(6)的具体方法为：

测量光单次通过薄膜进而被基底反射，沿原路返回，相当于两次通过相同厚度位置薄膜，则薄膜厚度分布为

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