CN114383515B

CN114383515B - 一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置及方法

Info

Publication number: CN114383515B
Application number: CN202210022572.4A
Authority: CN
Inventors: 臧昊峰; 鲁拥华; 张植宇; 席铮; 王沛
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2022-01-10
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2042-01-10
Also published as: CN114383515A

Abstract

本发明公开了一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置及测量方法，所述装置包括照明模块、偏振编码超表面、反射模块和探测模块；所述的偏振编码超表面作用是将线偏振光转换为局域偏振态为方向角在空间变化的线偏振的结构光；通过反射模块使得入射光两次经过偏振编码超表面调控，获得空间均匀的线偏振出射光，其偏振方向角与超表面相对于光轴的横向位移呈线性关系，进而由马吕斯定律测量光强得到位移量。该装置和方法利用超表面测量横向位移，结构简单、量程大、灵敏度高。

Description

一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学精密位移测量技术领域，尤其涉及一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置及方法。

背景技术

精密位移测量是半导体制造、精密测量和计量领域的关键技术，是现代工业发展的基础，精密测量能力也标志着国家制造业水平。随着半导体工业、集成电路制造工艺的发展，对于位移测量精度要求也越来越高，达到纳米甚至亚纳米的精度需求。

传统光学位移测量方案有激光干涉仪和光栅编码器等。激光干涉仪需要高相干光源，需对激光器稳频，系统受测量环境中轻微的空气扰动及仪器机械振动影响大，对环境稳定性要求很高，系统结构复杂、体积大。光栅编码器则利用光栅的衍射光在横向移动时产生的莫尔效应或位相变化获得位置信息。为获取多路相移信号，需在不同衍射级次光路中独立调控偏振并需要复杂的偏振检测光路，光学元件多，结构复杂。另一方面，近年来有许多利用光学天线和结构光耦合的定向散射测量横向位移的方案，光学天线尺寸较小，测量装置较简单；但测量量程一般只在百纳米，且需要成像后处理过程，信号读取复杂、信噪比低等问题。因此，亟需发展一套高测量精度、大量程、信号读取简单的测量方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于偏振编码超表面的、大量程、非接触、纳米精度的精密位移测量装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置，所述装置包括照明模块、偏振编码超表面、反射模块和探测模块；

所述的照明模块包括激光器、起偏器、第一分光棱镜、监测功率计；所述激光器出射的光束经过起偏器得到线偏振光，该线偏振光通过所述第一分光棱镜分为两路光，其中，一路光经第一分光棱镜反射照明到监测功率计，另一路光经第一分光棱镜透射光照明到所述的偏振编码超表面；所述线偏振光为线偏振基模高斯光；

所述偏振编码超表面将空间均匀分布的线偏振光编码为偏振态空间变化的结构光，所述结构光输入所述反射模块；

经所述反射模块反射的光经所述偏振编码超表面调制成空间均匀分布的线偏振待测信号光出射至第一分光棱镜后反射至所述探测模块。

进一步的，所述的反射模块包括依次排列的透镜、四分之一波片、空间滤波片、反射镜。

进一步的，所述的探测模块包括第二分光棱镜、第一检偏器、第一测量功率计、第二检偏器、第二测量功率计。

进一步的，所述探测模块中的第二分光棱镜将所述待测信号光分成两路，其中一路经第二分光棱镜透射并经过第一检偏器后由第一测量功率计接收，另一路经第二分光棱镜反射并经过第二检偏器后由第二测量功率计接收。

进一步的，所述的偏振编码超表面包括在透光基底上加工出纳米精度的、长轴方向沿X轴正向旋转排列的椭圆柱状颗粒阵列，且该长轴方向与X轴夹角为θ＝πx/a，其中a是结构周期，x是椭圆柱状颗粒坐标；所述的偏振编码超表面在横向移动过程中始终位于所述的透镜的焦平面上。

进一步的，所述柱状颗粒的材料可以为金属或者高折射率介质，包括金、银或硅。

本发明还提出以下技术方案：

一种根据上述的基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置的测量方法，该测量方法包括以下步骤：

步骤1)，照明模块中的激光器发出光束，光束经过起偏器得到线偏振光，该线偏振光由第一分光棱镜分光后，一路光经第一分光棱镜反射照明到监测功率计，测得到入射光强值P₀，另一路光经第一分光棱镜透射照明到偏振编码超表面；所述线偏振光为线偏振基模高斯光；所述的偏振编码超表面包括在透光基底上加工出纳米精度的、长轴方向沿X轴正向旋转排列的椭圆柱状颗粒阵列；

步骤2)，所述偏振编码超表面将空间均匀分布的线偏振光编码为偏振态空间变化的结构光，空间局域偏振为不同振动方向的线偏振光，偏振方向与X轴夹角为θ＝2πx/a，其中，a是结构周期，x是椭圆柱状颗粒坐标；将偏振态空间变化的结构光等效为偏折方向相反的左旋圆偏光和右旋圆偏光的干涉场，在传播过程中分离为左/右旋圆偏振光进入反射模块；

步骤3)，经所述反射模块反射的左/右旋圆偏振光经所述偏振编码超表面调制成空间均匀分布的线偏振待测信号光出射至第一分光棱镜后反射至探测模块。

进一步的，步骤2)中，所述左/右旋圆偏振光经所述的反射模块中的所述的透镜偏折会聚，而后经四分之一波片、空间滤波片、反射镜调制后，光以相同偏振态和入射角度反射回偏振编码超表面上；所述的四分之一波片的两次调控将圆偏光转换为线偏光后再转换为圆偏光，抵消了因反射而引起的偏振变化；所述的空间滤波片用于滤除直流信号，由不透光材料制成；

步骤3)中，反射的所述左/右旋圆偏振光在所述偏振编码超表面处干涉形成偏振态空间变化的结构光，并经偏振编码超表面调制成空间均匀分布的线偏振待测信号光出射；该信号光出射方向为光轴方向，线偏振方向与X轴夹角θ_out与偏振编码超表面相对于光轴的横向位移量Δx呈线性关系，即θ_out＝4πΔx/a，其中a为结构周期；所述信号光经第一分光棱镜反射至所述探测模块。

进一步的，步骤3)中，所述的探测模块中的第二分光棱镜将信号光分成两路，其中一路经第二分光棱镜透射经过第一检偏器后由第一测量功率计接收，测得透射光强P₁，另一路经第二分光棱镜反射经过第二检偏器后由第二测量功率计接收，测得反射光强P₂，所述第二检偏器主轴方向与第一检偏器相差45度。

进一步的，还包括以下步骤：

步骤4)，从所述的透射光强P₁和反射光强P₂中扣除掉预先记录的无超表面时的背景噪声P_noise，消除环境光和光学元件表面反射光的影响；再与同时记录的入射光强值P₀作比值，消除激光器功率抖动的影响，再做归一化处理后得到归一化的信号光强

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并绘制出位移-光强曲线，作为数据库保存；

步骤5)，移动所述的偏振编码超表面后重复上述步骤1)-步骤4)，得到归一化的信号光强

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判断信号光处于透射曲线还是反射曲线的线性区，若处于透射曲线线性区，则将光强/>

代入数据库中的位移-光强曲线查找，若处于反射曲线线性区，则将光强/>

代入，从而获得偏振编码超表面相对于起点的位移量。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的纳米位移测量装置和方法，基于偏振编码超表面两次对入射光的偏振分布调控，使得出射信号光为空间均匀分布的线偏振光，其线偏振方向角依赖超表面与光轴的相对位置，随着横向位移增加呈周期性旋转，通过马吕斯定律测量光强。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)快速测量，无需成像处理，一次光强测量即可得到准确的位移量。

(2)测量精度优于2nm，测量量程大于50μm，可实现大测量范围内无测量死区且高精度位移测量。

(3)结构简单，偏振编码超表面直接对入射光的偏振调控，通过分束器和不同主轴方向的检偏器即可直接获得多路相移信号，极大的简化了测量光路中复杂的偏振调控部分。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所用的超表面扫描电镜照片；

图3为本发明实施例监测功率计监测激光器时间-光强曲线；

图4为本发明实施例第一功率计位移-光强曲线的线性区；

图5为本发明实施例第一和第二测量功率计测量位移-光强曲线。

图中：1、激光器；2、起偏器；3、第一分光棱镜；4、偏振编码超表面；5、透镜；6、四分之一波片；7、空间滤波片；8、反射镜；9、监测功率计；10、第二分光棱镜；11、第一检偏器；12、第一测量功率计；13、第二检偏器；14、第二测量功率计。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明实施例作进一步地详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种基于偏振编码超表面的、大量程、非接触、纳米精度的精密位移测量装置和方法。本发明的基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置，其较佳的具体实施方式是：

如图1所示，包括照明模块、偏振编码超表面(4)、反射模块和探测模块；其中，照明模块提供功率稳定偏振分布均匀的激光，偏振编码超表面将两次调制激光偏振附加横向位移信息，反射模块将超表面透射光反射再次经过超表面调制，探测模块则通过多路测量得到相移信号光强，对测量结果计算得到被测位移量。

其中照明模块包括激光器(1)、起偏器(2)、第一分光棱镜(3)、监测功率计(9)；反射模块包括依次排列的透镜(5)、四分之一波片(6)、空间滤波片(7)、反射镜(8)；探测模块包括第二分光棱镜(10)、第一检偏器(11)、第一测量功率计(12)、第二检偏器(13)、第二测量功率计(14)。

偏振编码超表面使用电子束曝光、电感耦合等离子体刻蚀等加工技术在透光基底上使用硅材料加工出的纳米级厚度薄膜，并在薄膜上加工出纳米精度的、长轴方向沿X轴正向旋转排列的椭圆柱状颗粒阵列，长轴方向与x轴夹角为θ＝πx/a，a是结构周期，x是椭圆柱状颗粒坐标，图2展示了超表面结构的电镜图；该偏振编码超表面在横向移动过程中始终位于透镜的焦平面上。

激光器出射的光束经过起偏器得到线偏振基模高斯光，由第一分光棱镜分光；经第一分光棱镜反射光照明到监测功率计，测得到入射光强值P₀，如图3所示；经第一分光棱镜透射光照明到偏振编码超表面后，偏振编码超表面将空间均匀分布的线偏振光编码为偏振态空间变化的结构光，特点是空间局域偏振为不同振动方向的线偏振光，偏振方向与X轴夹角为θ＝2πx/a，a是结构周期，x是椭圆柱状颗粒坐标；偏振态空间变化的结构光可等效为偏折方向相反的左旋圆偏光和右旋圆偏光的干涉场，在传播过程中分离为左/右旋圆偏振光进入反射模块；

经反射模块中透镜偏折会聚，经四分之一波片、空间滤波片、反射镜将调制后的光场以相同偏振态和入射角度反射回偏振编码超表面上；四分之一波片两次调控将圆偏光转换为线偏光后再转换为圆偏光，抵消了因反射而引起的偏振变化；空间滤波片用于滤除直流信号；该反射模块组成反射式4f系统。

反射的左/右旋圆偏振光在偏振编码超表面处干涉形成偏振态空间变化的结构光，经偏振编码超表面调制成空间均匀分布的线偏振待测信号光出射；信号光出射方向为光轴方向，线偏振方向与X轴夹角θ_out与偏振编码超表面相对于光轴的横向位移量Δx呈线性关系，有θ_out＝4πΔx/a，a为结构周期；出射信号光经第一分光棱镜反射至所述的探测模块；

探测模块中的第二分光棱镜将信号光分成两路；经第二分光棱镜透射光经过第一检偏器后由第一测量功率计接收，测得透射光强P₁；经第二分光棱镜反射光经过第二检偏器后由第二测量功率计接收，第二检偏器主轴方向与第一检偏器相差45度产生相移，测得反射光强P₂；通过马吕斯定律得到功率计测量到的光强公式包括：

信号光强P₁和P₂中扣除掉预先记录的无超表面时的背景噪声P_noise，消除环境光和光学元件表面反射光的影响；再与同时记录的监测功率计光强P₀作比值，消除激光器功率抖动的影响，再做归一化处理后得到归一化的信号光强

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在线性区中，当超表面以步长10nm移动时能明显观察到测量功率呈阶梯式增大，如图4所示。绘制出多个信号周期的位移-光强曲线，作为数据库保存，如图5所示；

移动偏振编码超表面后重复上述步骤，得到归一化的信号光强

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代入，从而获得偏振编码超表面相对于起点的位移量。

本发明的基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置和方法，基于超表面偏振调控特性，通过二次透过超表面实现信号光线偏振方向角依赖超表面横向位移量旋转，通过检偏器后测量光强，实现了对纳米位移的非接触式快速测量。该方法具有高灵敏度，测量速度快，大量程等特点。能实现对纳米位移的非接触式快速测量。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置，其特征在于，所述装置包括照明模块、偏振编码超表面、反射模块和探测模块；

所述的照明模块包括激光器(1)、起偏器(2)、第一分光棱镜(3)、监测功率计(9)；所述激光器(1)出射的光束经过起偏器(2)得到线偏振光，该线偏振光通过所述第一分光棱镜(3)分为两路光，其中，一路光经第一分光棱镜(3)反射照明到监测功率计(9)，另一路光经第一分光棱镜(3)透射照明到所述的偏振编码超表面(4)；所述线偏振光为线偏振基模高斯光；

所述偏振编码超表面(4)将空间均匀分布的线偏振光编码为偏振态空间变化的结构光，所述结构光输入所述反射模块；

经所述反射模块反射的光经所述偏振编码超表面(4)调制成空间均匀分布的线偏振待测信号光出射至第一分光棱镜(3)后反射至所述探测模块；

其中，所述的探测模块包括第二分光棱镜(10)、第一检偏器(11)、第一测量功率计(12)、第二检偏器(13)、第二测量功率计(14)。

2.根据权利要求1所述的一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置，其特性在于，所述的反射模块包括依次排列的透镜(5)、四分之一波片(6)、空间滤波片(7)、反射镜(8)。

3.根据权利要求2所述的一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置，其特征在于，所述探测模块中的第二分光棱镜(10)将所述待测信号光分成两路，其中一路经第二分光棱镜(10)透射并经过第一检偏器(11)后由第一测量功率计(12)接收，另一路经第二分光棱镜(10)反射并经过第二检偏器(13)后由第二测量功率计(14)接收。

4.根据权利要求2所述的一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置，其特性在于，所述的偏振编码超表面(4)包括在透光基底上加工出纳米精度的、长轴方向沿X轴正向旋转排列的椭圆柱状颗粒阵列，且该长轴方向与X轴夹角为θ＝vx/a，其中a是结构周期，x是椭圆柱状颗粒坐标；所述的偏振编码超表面在横向移动过程中始终位于所述的透镜(5)的焦平面上。

5.根据权利要求4所述的一种基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置，其特征在于，所述柱状颗粒的材料为金属或者高折射率介质，包括金、银或硅。

6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的基于偏振编码超表面的纳米位移测量装置的测量方法，其特征在于，该测量方法包括以下步骤：

步骤1)，照明模块中的激光器(1)发出光束，光束经过起偏器(2)得到线偏振光，该线偏振光由第一分光棱镜(3)分光后，一路光经第一分光棱镜(3)反射照明到监测功率计(9)，测得到入射光强值P₀，另一路光经第一分光棱镜(3)透射照明到偏振编码超表面(4)；所述线偏振光为线偏振基模高斯光；所述的偏振编码超表面(4)包括在透光基底上加工出纳米精度的、长轴方向沿X轴正向旋转排列的椭圆柱状颗粒阵列；

步骤2)，所述偏振编码超表面(4)将空间均匀分布的线偏振光编码为偏振态空间变化的结构光，即将空间局域偏振为不同振动方向的线偏振光，偏振方向与X轴夹角为θ＝2πx/a，其中，a是结构周期，x是椭圆柱状颗粒坐标；将偏振态空间变化的结构光等效为偏折方向相反的左旋圆偏光和右旋圆偏光的干涉场，在传播过程中分离为左/右旋圆偏振光进入反射模块；

步骤3)，经所述反射模块反射的左/右旋圆偏振光经所述偏振编码超表面(4)调制成空间均匀分布的线偏振待测信号光出射至第一分光棱镜(3)后反射至探测模块；所述的探测模块中的第二分光棱镜(10)将信号光分成两路，其中一路经第二分光棱镜(10)透射经过第一检偏器(11)后由第一测量功率计(12)接收，测得透射光强P₁，另一路经第二分光棱镜(10)反射经过第二检偏器(13)后由第二测量功率计(14)接收，测得反射光强P₂，所述第二检偏器(13)主轴方向与第一检偏器(11)相差45度；

步骤4)，从所述的透射光强P₁和反射光强P₂中扣除掉预先记录的无偏振编码超表面时的背景噪声P_noise，消除环境光和光学元件表面反射光的影响；再与同时记录的入射光强值P₀作比值，消除激光器功率抖动的影响，再做归一化处理后得到归一化的信号光强

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并绘制出位移-光强曲线，作为数据库保存；

步骤5)，移动所述的偏振编码超表面(4)后重复上述步骤1)-步骤4)，得到归一化的信号光强

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代入，从而获得偏振编码超表面相对于起点的位移量。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，

步骤2)中，所述左/右旋圆偏振光经所述的反射模块中的透镜(5)偏折会聚，而后经四分之一波片(6)、空间滤波片(7)、反射镜(8)调制后，光以相同偏振态和入射角度反射回偏振编码超表面上；所述的四分之一波片(6)的两次调控将圆偏光转换为线偏光后再转换为圆偏光，抵消了因反射而引起的偏振变化；所述的空间滤波片(7)用于滤除直流信号，由不透光材料制成；

步骤3)中，反射的所述左/右旋圆偏振光在所述偏振编码超表面(4)处干涉形成偏振态空间变化的结构光，并经偏振编码超表面(4)调制成空间均匀分布的线偏振待测信号光出射；该信号光出射方向为光轴方向，线偏振方向与X轴夹角θ_out与偏振编码超表面(4)相对于光轴的横向位移量Δx呈线性关系，即θ_out＝4πΔx/a，其中a为结构周期；所述信号光经第一分光棱镜(3)反射至所述探测模块。