CN1148575C - 实时测量厚度与折射率的半导体激光干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

一种实时测量厚度与折射率的半导体激光干涉测量装置，包括线性调制光源，由准直透镜，六个分束器，两块反射镜以及置于样品架上的被测物体构成多光束干涉仪。由四个探测器分别通过四个位相提取器和四个微分器连接到带显示面板的数据处理器上的四个端口构成信号检测和数据处理部分。具有无需扫描干涉臂，能够实时测量物体的厚度和折射率。测量精度和灵敏度高的特点。

Description

实时测量厚度与折射率的半导体激光干涉测量装置

技术领域

本发明涉及到实时测量厚度与折射率的半导体激光干涉测量装置，特别适用两表面都有反射或后向有散射的物体。

背景技术

由于通过干涉仪测量物体的厚度获得的是由光程差决定的光学厚度，所以很有必要寻找一种装置精密测量物理厚度和折射率。美国麻省理工大学的Tearney G.J等人提供了基于光学相干层析成像系统的同时测量物体物理厚度和折射率的装置，(参见在先技术[1]G.Tearney，M.Brezinski，J.Southern，B.Bouma，M.Hee，and J.Fujimoto，“Determination ofthe refractive index of high scattering human tissue by optical coherence tomography，”Opt.Lett.20(21)，1995，2258-2260.)如图1所示。它包括超辐射激光二极管(简称SLD)的光源1和干涉仪部分。光源1发出的光束耦合到单模光纤中，作为2×2路3dB耦合器2的第一路201，经耦合器2后光束一路被等分成两路，一路203从光纤出来被透镜3准直照射到参考反射镜4上，另一路202从光纤出来经第一透镜5’和第二透镜6组成的共焦系统照射到置于样品扫描架701上的被测物体7，两路光分别从反射镜4和样品扫描架701上的被测物体7反射回来的光束分别由203路和202路进入光纤在耦合器2中重新会合，发生干涉，并从耦合器2的第四路204输出。干涉信号被接收元件8转换为电信号，经解调元件9解调，模数转换器10转换为数字信号后送入计算机11进行数据处理。测量过程是首先，使第二透镜6聚焦在被测物体7的前表面，调节干涉仪两臂光程差为零。再沿光轴向着第二透镜6移动被测物体7，使第二透镜6聚焦在被测物体7的后表面，被测物体7位移为Δz。移动参考反射镜4距离z，，使干涉仪两臂重新等光程。如图2所示，根据等光程原理有

                      nt＝z+Δz，                                (1)n和t分别是被测物体7的折射率和物理厚度。入射光在被测物体7与空气界面发生折射，由斯涅尔定律，可得方程

                      sinθ＝nsinφ，                            (2)θ和φ分别是被测物体7空气界面的入射角和折射角。考虑折射光线、法线和被测物体7界面组成的三角形中的几何关系，有：

                      d tanφ＝Δz tanθ。                       (3)联合式(2)和(3)可得，

$n\sin \left[{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{nztg\θ}}{z+\mathrm{\Δz}}\right)\right]=\sin \mathrm{\θ},---\left(4\right)$

其中sinθ由第一和第二透镜5、6的数值孔径给出。这样根据测得的位移量可从(4)式获得被测物体7的折射率，再利用(1)式同时获得被测物体7物理厚度。由于此装置要求对被测物体7和参考臂进行扫描，因而需要5到60秒较长的测量时间，无法做到实时测量。且由于采用的是宽带SLD作为光源1使被测物体7发生色散，影响测量结果准确性。光源1的SLD工作在非激光状态，其低功率输出也限制了装置的灵敏度，不利于弱反射被测物体的测量。

在先技术[2]中，中国科学院上海精密机械研究所王向朝等发明人在专利2L99239062.1中提供一种微小位移的半导体激光干涉测量仪，如图3所示。它包括置于外壳16内的光源和干涉仪部分。作为原光源12的激光二极管(LD)由第一直流电源21驱动，使得原光源12的光强不随时间变化，原光源12的波长由调制光源23正弦光热调制。原光源12发出的光由第一透镜5准直，透过偏振分束器13和分束器14的透射光束t1照射到参考平板15上，透过参考平板15的透射光束t2照射到被测物体7上，参考平板15和被测物体7反射的光束产生的干涉信号由接收元件8转换为电信号，经模数转换器10送入计算机11处理。正弦信号发生器18的信号经移相器19后进入调制光源23的驱动器22，控制器17产生采样触发脉冲与采样信号送入模数转换器10。调制光源23发出的光由第二透镜6准直，经偏振分束器13反射后，由第一透镜5聚焦于原光源12上。原光源12与调制光源23发出的光的偏振方向相互垂直，偏振分束器13使原光源12的光透过而不反射到调制光源23上，同时使调制光源23的光入射到原光源12上，其中被原光源12反射的部分光束不会透过偏振分束器13。正弦信号发生器18通过移相器19向驱动器22加入正弦信号使调制光源23的输出光强正弦变化，此光强照射到原光源12上后，由于光热效应，原光源12的光强相应正弦变化，使得干涉仪原光源12的波长按正弦变化。接收元件8接收到的干涉信号的相位被正弦调制。由于原光源12的注入电流为直流，原光源12的输出光强不随时间变化，因此接收元件8接收到的干涉信号

           I(t)＝I₀+S₀cos[zcos(ω_ct+θ)+α₀+α(t)]，            (5)其中，I₀与S₀分别为干涉信号直流分量与交流分量的振幅，z为干涉信号相位调制的振幅，α₀＝2πr₀/λ₀，α(t)＝4πr(t)/λ₀，r₀为被测物体15静止时的光程差。r(t)为待测的微小位移。对式(5)进行傅立叶变换求得α(t)，

           r(t)＝λ₀α(t)/4π。                                    (6)α(t)的测量精度达到0.01rad是较容易实现的。若采用常用的波长为785nm的激光二极管(LD)，位移的分辨率为0.62nm。若α的测量精度提高到0.001rad，则分辨率提高到0.062nm。但是这种测量仪测量的是被测物体的微小空间位移，并不能实时测量被测物体的折射率和厚度。

发明内容

本发明的目的为克服上述在先技术中的不足，提供一种无需扫描被测物体7和参考臂而实时测量被测物体折射率和物理厚度的测量装置，测量装置将具有高灵敏度，并将消除被测物体色散的影响。

本发明的测量装置如图4所示。它包括的具体结构是：由带有直流电源2401和信号发生器2402的激光二极管2403构成的线性调制光源24发射的激光束经准直透镜5准直后，在激光束前进的方向上，依次置有中心O₁，O₄都在线性调制光源24发射光束光轴OO上的第一分束器25，第四分束器44直至置于样品架34上的被测物体7；在穿过第一分束器25的中心O₁垂直于线性调制光源24发射光束光轴OO的第一垂直线O⁰O⁰上，置于第一分束器25的两端分别有第一反射镜29和第四探测器47，在第一分束器25与第一反射镜29之间有中心O₂置于第一垂直线O⁰O⁰上的第二分束器27，在第二分束器27束器27的中心O₂与第一垂直线O⁰O⁰垂直，也就是与线性调制光源24发射光束光轴OO平行的第一平行线O′O′上，在第二分束器的两端分别置有第二反射镜26和第一探测器37，第一探测器37的输出通过第一相位提取器38和第一微分器39连接到数据处理器35的第一端口3501；在穿过第四分束器44的中心O₄垂直于线性调制光源24发射光束光轴OO的第二垂直线OO上有中心O₅在第二垂直线OO上的第五分束器40，有接收面对着第五分束器40的反射面的第二探测器41。第二探测器41的输出通过第二相位提取器42和第二微分器43连接到数据处理器35的第二端口3502；在穿过第三分束器28的中心O₃与线性调制光源24发射光束光轴OO平行的第二平行线O″O″和上述的第二垂直线OO的交点恰好与第六分束器30的中心O₆重合。在第二平行线O″O″上接收面对着第六分束器30反射面的有第三探测器31。第三探测器31的输出通过第三相位提取器32和第三微分器33连接到数据处理器35的第三端口3503；上述的置于第一垂直线O⁰O⁰上的第四探测器47的输出通过第四相位提取器46和第四微分器45连接到数据处理器35的第四端口3504。

本发明使用的线性调制半导体激光器的波长扫描干涉仪实时测量被测物体厚度和折射率，如上述的结构和图4所示。它包含光源部分、多光束干涉仪、信号检测及数据处理部分。光源部分包括线性调制光源24，线性调制光源24由直流电源2401，信号发生器2402、激光二极管2403(简称LD)组成。干涉仪部分包含准直透镜5、第一分束器25、第二分束器27，第三分束器28，第四分束器44，第五分束器40，第六分束器30，第一反射镜29、第二反射镜26和置于样品架34上的被测物体7。信号检测部分包含第一探测器37，第二探测器41，第三探测器31，第四探测器47，第一相位提取器38，第二相位提取器42，第三相位提取器32，第四相位提取器46，第一微分器39，第二微分器43，第三微分器33，第四微分器45。数据处理部分包含数据处理器35和显示面板36。

上面所说的线性调制光源24中的激光二极管2403是半导体激光器(简称LD)。信号发生器2402是能产生频率从几赫兹到几百千赫兹三角波的器件。

所说的第一分束器25、第二分束器27，第三分束器28，第四分束器44，第五分束器40，第六分束器30分别是将入射光束按一定的透过反射比例分成两束光的分光元件。是分光棱镜或一面镀有析光膜的平行平板等。

所说的第一反射镜29、第二反射镜26是指镀有高反射膜的平行平板或角椎棱镜。

所说的样品架34是摆放具有反射或后向散射特性被测物体7的三维可调节平台。

所说的第一探测器37，第二探测器41，第三探测器31，第四探测器47是光电二极管，或光电倍增管等光电转换器件。

所说的第一相位提取器38，第二相位提取器42，第三相位提取器32，第四相位提取器46是锁相放大器或是其它提取干涉信号随时间变化相位的器件。

所说的第一微分器39，第二微分器43，第三微分器33，第四微分器45是简单的微分电路元件或是其它能实现随时间变化的电信号的微分功能的器件。

所说的数据处理器35主要是由第一，第二，第三放大器3505、3506、3510，第一，第二，第三加减法混合运算器3507、3508、3509和除法器3511构成的含有四个端口3501、3502、3503、3504的数据处理器。是实现从四个探测器输出的角频率获得不同干涉面光程差并计算被测物体7厚度和折射率的器件。

所说的显示面板36是普通液晶显示器。

如上述图4所示的结构，作为线性调制光源24的激光二极管2403(LD)由直流电源2401加上直流偏置，波长由信号发生器2402加上线性调制。由线性调制光源24发出的光束经准直透镜5准直后，被第一分束器25分成两束，一束光射向第二分束器27由第二分束器27再次分成两束，由第二分束器27透射光束射向第三分束器28，透过第三分束器28的光束射向第一反射镜29，由第二分束器27的反射光束射向第二反射镜26。第一反射镜29反射回来经第三分束器28透射、第二分束器27反射的光束与第二反射镜26反射回来经第二分束器27透射的光束在第一探测器37发生干涉并被接收，被第一相位提取器38获得其相位信息，再经过第一微分器39获得角频率的时间函数，输入到数据处理器35的第一端口3501。透过第一分束器25的光束照射到样品架34上的被测物体7。从被测物体7前后表面反射的光束被第四、五分束器44、40反射，在第二探测器41发生干涉并被接收，第二相位提取器42获得其相位信息，再经过第二微分器43获得角频率的时间函数，输入到数据处理器35的第二端口3502。第一反射镜29反射回来被第三分束器28反射、第六分束器30透射的光束与从被测物体7前后表面反射回来经第四分束器44反射、第五分束器40透射、第六分束器30反射的光束发生干涉，被第三探测器31接收，由第三相位提取器32获得其相位信息，再经过第三微分器33获得角频率的时间函数，输入到数据处理器35的第三端口3503。从第一发射镜29反射回来透过第三分束器28、第二分束器27、第一分束器25的光束，从第二反射镜26反射回来经第二分束器27反射、第一分束器25透射的光束，从被测物体7前后表面的反射回来经第四分束器44透射、第一分束器25反射的光束，这三束光束在第四探测器47发生干涉，干涉信号由第四探测器47接收，由第四相位提取器46获得其相位信息，再经过第四微分器45获得角频率的时间函数，输入到数据处理器35的第四端口3504。

由于线性调制光源24被线性调制，输出波长随时间t改变

                            Δλ＝αt，                            (7)

式中，α为线性调制比例常数。若参与干涉的两束光的光程差为ΔL，则时间延迟为

                            Δt＝2ΔL/c，                          (8)

其中c为光速。参加干涉的两束光形成光学拍频，干涉信号以拍频

                            f＝2Δff_mΔL/c                        (9)

f为周期变化。式中Δf为激光二极管(LD)被注入电流线性调制产生的频移，f_m为调制频率。多光束干涉产生具有一系列拍频的干涉信号

               g(t)＝a(t)+∑b_mn(t)cos[2πf_mnt+φ_mn]，           (10)

其中，m，n＝1，2，3，4，分别代表第一反射镜29、第二反射镜26以及样品架34上的被测物体7的前后表面，且m≠n。a(t)是几束光的总强度，b_mn(t)是两束光m和n之间干涉条纹的幅度值。同时有

                            φ＝φmn+2πfmnt，                     (11)

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{mn}}=\frac{2\mathrm{\π}{L}_{\mathrm{mn}}}{\mathrm{\λ}},---\left(12\right)$

$f_{\mathrm{mn}}=-\frac{\mathrm{\α}{L}_{\mathrm{mn}}}{{\mathrm{\λ}}^2},---\left(13\right)$

$\mathrm{\ωmn}=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}},---\left(14\right)$

式中L_mn是参与干涉的两光束的光程差。对干涉信号的相位进行微分运算，获得拍频。假定第一反射镜29，第二反射镜26间的光程差L₁₂已知，其相应的角频率ω₁₂由第一微分器39输出，则

$\mathrm{Lmn}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{mn}}}{{\mathrm{\ω}}_{12}}{L}_{12},---\left(15\right)$

令下标r1、r2分别代表第一反射镜29、第二反射镜26，sf、sr分别代表被测物体7的前后表面。第二探测器41探测到并从第二微分器43输出ω_sfsr，第三微分器33输出ω_sfsr，ω_r1sf，ω_r1sr，第四微分器45输出ω_sfsr，ω_r2sf，ω_r2sr，ω_r1sr，ω_r1sf，ω₁₂。第三微分器33的输出减去第二微分器43的输出，剩下ω_r2sf，ω_r2sr，二者有如下关系：

                      ωr1sf+ωsfsr＝ωr1sr,                   (16)所以ω_r1sf为第三微分器33的输出减去2倍第二微分器43的输出的一半。第四微分器45的输出减去第三和第一微分器33和39的输出剩下ω_sfsr，ω_r2sf，ω_r2sr，三者有如下关系：

                      ωr2sf-ωsfsr＝ωr2sr，                   (17)

所以ω_r2sr为第四微分器45的输出减去第三和第一微分器33和39的输出后再减去2倍第二微分器43的输出的差的一半。再通过(13)式可得ω_sfsr，ω_r1sf，ω_r2sr相应的光程差L_r1r2，L_r1sf，L_r2sr。因为第一反射镜29和第二反射镜26，第一反射镜29和被测物体7前表面，以及被测物体7后表面与第二反射镜26之间的介质为空气，所以光程差就直接等于其物理厚度的二倍，所以被测物体7物理厚度d＝(L_r1r2-L_r1sf-L_r2sr)/2。它的光学厚度L_s1s2为折射率n和物理厚度d的乘积，则折射率为

                      n＝Ls1s2/d。                                 (18)

从而同时测得被测物体7的物理厚度和折射率。测量结果显示在显示面板36上。图5为本发明数据处理器35的结构示意图。因为各光程差的识别和计算均通过加减法器和放大器实现，从而实现了不扫描干涉仪而实时测量被测物体7物理厚度和折射率。且由于窄带光源的LD的使用而消除了被测物体7色散的影响。

本发明的优点有：

1.无须扫描干涉臂。本发明由于上述结构的线性调制光源的使用，无须扫描干涉臂。在先技术[1]中，利用光程匹配原理和折射率突变界面斯涅尔定律得到被测物体7物理厚度和折射率与参考臂、被测物体7臂位移的关系，并利用共焦系统的数值孔径求出被测物体7物理厚度和折射率，需要分别扫描参考臂和被测物体7臂，因而测量时间从几秒到几十秒，且影响测量结果的准确性。而本发明就无须任何扫描。

2.可以实时测量。在先技术[1]需要分别扫描参考臂和被测物体7臂，因而测量时间从几秒到几十秒，不能做实时地测量。而本发明无须任何扫描，本发明对于拍频及相应光程差的获得和识别是通过在光路中各分束器，探测器，相位提取器，微分器以及数据处理器处理干涉信号，实现了实时测量被测物体7物理厚度和折射率

3.避免了被测物体7色散影响。在先技术[1]采用半功率带宽为20纳米左右的宽带光源SLD，以达到微米级的空间分辨率，但宽带光源引起被测物体7色散，从而光源带宽内各波长被测物体7折射率不同，影响测量结果。本发明使用线性调制光源24，其中LD经线性调制，波长调制范围仅为零点零几纳米，折射率改变的数量级为10^-7，不会对折射率测量结果有影响，从而使测量精度高。

4.具有高的灵敏度。在先技术[1]采用SLD作光源，输出功率从几百微瓦到几毫瓦。本发明使用LD做光源，比SLD有更大的入射功率，达到几十毫瓦，有利于干涉信号的检测。因此测量灵敏度提高了，从而适用范围扩展到反射或后向散射较弱的被测物体7的测量。

附图说明：

图1为在先技术[1]基于超辐射二极管激光器作光源1，用光学相干层析成像系统同时测量厚度和折射率装置的结构示意图。

图2为在先技术[1]为实现厚度和折射率同时测量进行被测物体7扫描而引起焦点位置变化的示意图。

图3为在先技术[2]为实现微小位移的半导体激光干涉测量装置结构示意图。

图4为本发明的使用线性调制光源24实现厚度和折射率实时测量的半导体激光干涉测量装置的结构示意图。

图5为本发明数据处理器35的结构示意图。

具体实施方式

如图4所示的结构。被测物体7为玻璃板。其中线性调制光源24采用中心波长785nm的激光二极管2403(LD)，直流电源2401输出的直流偏置72mA，信号发生器2402输出的交流调制为频率100Hz的三角波。探测器37，41，31，47为光电二极管。第一分束器25、第二分束器27，第三分束器28，第四分束器44、第五分束器40，第六分束器30是镀有析光膜的平行平板。设置第一反射镜29至第二分束器27的中心点O₂的光程与第二反射镜26至第二分束器27的中心点O₂的光程差为15.527毫米。相位提取器38，42，32，46是锁相放大器。微分器39，43，33，45是简单微分电路元件。数据处理器35如上述图5所示的结构。经三角波信号发生器2402和直流电源2401控制线性调制光源24的输出波长线性变化，作为干涉仪光源，利用本发明的测量装置测得被测物体7玻璃的物理厚度为3.003毫米，光学厚度为4.394毫米，得出折射率为1.4619。

本发明的被测物体7为两表面都有反射或后向散射的透明物体。

Claims (1)

1.一种实时测量厚度与折射率的半导体激光干涉测量装置，包括：光源，准直透镜(5)，分束器，反射镜，探测器，数据处理器(35)的输出连接有显示面板(36)，其特征在于具体结构是：

<1>由带有直流电源(2401)和信号发生器(2402)的激光二极管(2403)构成的线性调制光源(24)发射的激光束经准直透镜(5)准直后，在激光束前进的方向上，依次置有中心(O₁，O₄)都在线性调制光源(24)发射光束的光轴(OO)上的第一分束器(25)、第四分束器(44)，直至置于样品架(34)上的前后表面都具有反射或后向散射特性的被测物体(7)；

<2>在穿过第一分束器(25)的中心(O₁)垂直于线性调制光源(24)发射光束光轴(OO)的第一垂直线(O⁰O⁰)上，置于第一分束器(25)的两端分别有第一反射镜(29)和第四探测器(47)，在第一分束器(25)与第一反射镜(29)之间有中心(O₂)置于第一垂直线(O⁰O⁰)上的第二分束器(27)，在第二分束器(27)与第一反射镜(29)之间有中心(O₃)置于第一垂直线(O⁰O⁰)上的第三分束器(28)；

<3>在穿过第二分束器(27)的中心(O₂)与线性调制光源(24)发射光束光轴(OO)平行的第一平行线(O′O′)上，在第二分束器(27)的两端分别置有第二反射镜(26)和第一探测器(37)，第一探测器(37)的输出通过第一相位提取器(38)和第一微分器(39)连接到数据处理器(35)的第一端口(3501)；

<4>在穿过第四分束器(44)的中心(O₄)垂直于线性调制光源(24)发射光束光轴(OO)的第二垂直线(OO)上有中心(O₅)在第二垂直线(OO)上的第五分束器(40)，有接收面对着第五分束器(40)反射面的第二探测器(41)，第二探测器(41)的输出通过第二相位提取器(42)和第二微分器(43)连接到数据处理器(35)的第二端口(3502)；

<5>穿过第三分束器(28)的中心(O₃)与线性调制光源(24)发射光束光轴(OO)平行的第二平行线(O″O″)和上述第二垂直线(OO)的交点恰好与第六分束器(30)的中心(O₆)重合，在第二平行线(O″O″)上接收面对着第六分束器(30)反射面的有第三探测器(31)，第三探测器(31)的输出通过第三相位提取器(32)和第三微分器(33)连接到数据处理器(35)的第三端口(3503)；

<6>上述的置于第一垂直线(O⁰O⁰)上的第四探测器(47)的输出通过第四相位提取器(46)和第四微分器(45)连接到数据处理器(35)的第四端口(3504)。

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