摘要：提出了一种50μm测量范围内,2nm不确定度、0.5nm分辨率的二维激光外差偏振干涉仪的设计。其中用声光调制器和稳频He-Ne激光器获取频差小于200kHz的正交偏振双频激光束,X和Y二臂偏振干涉仪将采用差分干涉仪,采用相位解调技术进行外差干涉信号的处理。
引 言
扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)已在纳米测量中得到越来越广泛的应用。但要用它们作为计量标准仪器必须用激光干涉位移测量技术进行纳米级标定。激光外差干涉测量技术作为纳米计量技术之一与STM/AFM的有力结合将得到计量意义上准确的测量,这就是分子测量机M3[1]或计量型STM/AFM[2]。
本文所涉及的二维激光外差干涉仪就是为STM/AFM纳米级二维扫描微位移工件台而设计的。50μm测量范围内,2nm的不确定度、0.5nm的分辨率。
1 二维激光外差干涉仪光学设计
外差干涉测量的特点是利用载波技术将被测物理量的信息转换成调频或调相信号,从而提高光电信号的信噪比,实现高分辨率测量。外差干涉信号处理方法主要有(1)多普勒频移量解调法:基于多普勒频移的锁相环电子倍频细分技术从干涉仪中被测量发生变化时引起的光频多普勒频移中解调出位移量大小,需干涉仪的测量臂中测量镜在沿测量光轴方向发生相对运动而使光频产生多普勒频移:(2)相位解调法:基于直接相位检测技术检测出外差干涉仪的被测量发生变化时引起的外差干涉信号的参考信号和测量信号的相位变化量从而解调出位移量大小。由于在纳米测量中被测位移量(如纳米级压电陶瓷微位移工作台的位移量)都是纳米级步距,基本可看成是静态的,所以采用相位解调法对外差信号处理。现有的光学频移器件实现外差干涉其光学干涉系统用于一维外差测量已是十分复杂了[3]。要实现二维外差测量最简单的光学系统是二维偏振干涉光学系统,光源必须是象以美国HP公司为代表的用塞曼分裂He-Ne激光器作为光源的双频正交偏振激光测量系统。但塞曼分裂He-Ne激光器的双频频差一般是1.8～2.0MHz左右,用于纳米测量的直接相位检测技术也是不合适的。所以提出一种实现频差小的双频正交偏振激光系统的方法。方案如图1所示。
由稳频单模He-Ne激光器发出的激光束先经过1/2波片。图中偏振分光镜PBS的作用是将振动方向与垂直方向成α角的入射偏振光(α角的大小可通过1/2波片绕光轴的旋转来调节)分解成垂直于纸面和平行于纸面的两个偏振分量,根据马吕斯定律,其光强分别为
其振动频率仍是f。IV经驱动频率为f1的声光调制器AOM1衍射后振动频率将产生f1的频移,即为f+f1。IH经过驱动频率为f2的声光调制器AOM2衍射后振动频率将产生f2的频移,即为f+f2。两束偏振光经过一块50%的分光镜BS后各分为两束光IV1和IV2、IH1和IH2。IV1与IH1、IV2与IH2皆是频差为f1-f2、振动方向垂直正交的两束线偏振光。一路经检偏器P和光电接收器DR作为参考信号,另一路去外差干涉仪。控制两声光调制器的频率使频差f1-f2小于200kHz,则实现了光源系统的预定目标。
二维激光外差偏振干涉仪部分测量原理如图2所示。此部分将被置于真空中。其中X轴和Y轴干涉仪采用二个差动干涉形式,其特点是FV和FH二正交线偏振光路互补,使其不受热膨胀和周围空气变化的影响,可消除余弦误差的影响;入射光束和出射光束路径不重合,出射光束各产生了一倍的多普勒频移:f1+Δf和f2-Δf,,光电检测器接收的干涉仪信号的频率为f1-f2±2Δf,因此最终实现了光学二倍频。
2 二维激光外差干涉仪电子学设计
由于基于多普勒频移解调法的锁相环电路电子倍频细分的倍数是有限的,限制了外差干涉仪测量分辨率和测量精度,分辨率最高达到λ/256(2.4nm),所以要实现次纳米级分辨率和测度精度只有采用相位解调法。主要是过零鉴相中的Φ—V变换法和Φ—T变换法(即填充计数法)。
填充计数法是经典的鉴相方法,在中低频鉴相中用得很多,其特点是分辨率高,由于采用计数器直接计数因此便于和微机接口而不用模数转换。记整数的计数器和鉴相计数器可同步锁定,很容易实现大、小数的同步采集。这个方法的缺点是用于高频鉴相时分辨率下降,一般不超过200kHz。初步计算在频差100kHz,时钟脉冲为36MHz,光路细分二倍时其分辨率可达0.4nm。Φ—V变换法是将反应相位差的脉宽信号进行滤波,取其直流分量(此量表征两信号的相位差值),然后通过模数转换将数字量传递给微机。这种方法的优点是基本不受频率限制,但分辨率与模数转换器有关,同时解决大小数的同步采集问题比较复杂。
用填充计数法的外差信号处理框图如图3所示,以X方向扫描为例(Y方向相同),微机通过数模转换器和模拟开关控制工作台在X方向形成一个微位移,这样将有参考信号和变化的测量信号产生,这两个信号经光电转换和预处理后变成对应的方波同时进入鉴相电路和计整数电路,鉴相电路输出与两路相位差成比例的脉宽信号,此信号和时钟脉冲同时作用于闸门,计数器记录通过闸门的脉冲数,这个数经过处理即为小数部份。同时计整数电路输出外差干涉仪行程的整周期数,由计数器记录后通过三态锁存器与微机接口相联。微机采集数据时通过控制线同时锁住与大、小数计数器输出数据线相连的锁存器并通过接口电路读入,对读入的数据进行处理可以得到微位移的实际值。这样反复循环,即可按给定的步距在X方向进行扫描,如果同时配合Y方向的运动,则可对干涉仪的整个工作范围进行扫描。
3 机械结构
机械结构上将考虑X、Y两个粗动工作台和X、Y两个微动工作台。X、Y粗动工作台用压电陶瓷直线电机驱动:移动范围:X、Y方向均为25-30mm;X、Y微动工作台为电致伸缩压电陶瓷微动工作台:伸缩范围:X、Y方向均为50μm;分辨率:0.5nm。
4 总不确定度的分析与误差分配
4.1 激光波长误差uλ
采用兰姆凹陷稳频He-Ne激光器,它包括激光波长准确度和波长稳定度两项误差:波长准确度为1×10-8,当测量距离为50μm时引入的极限误差
4.2 光学元件非线性误差ul
光学元件非线性误差是由于干涉仪中的两个正交偏振光学分量相互混杂使实际存在的长度位移量l和被检相位差Δ之间存在的非线性差。这主要是(1)偏振分光镜的偏振度达不到100%,使偏振分光镜漏光;(2)光路调整时,偏振光的入射平面与偏振分光镜的水平轴不严格成45°、λ/4片误差及其光轴与偏振分光镜的水平轴不成45°,使偏振光分量椭圆化。选择高质量的光学元件,如天然石英晶体的λ/4片等,并通过分析和发现混光非线性误差进行软件修正,最终使该非线性极限误差≤1.4nm。
4.3 阿贝误差uA
由于被测量轴线与测量轴线不重合,以及传送位移的微位移工作台存在垂直方向角偏摆将产生阿贝误差,设A0为轴线偏移量、θ为微位移工作台的偏摆角,则阿贝误差为uA=A0tgθ。所以机械结构设计时将尽量遵循阿贝原则,如被测件安装的定位偏移量A0≤0.5mm,偏摆角优于0.5角秒,则
4.4 余弦误差uc
余弦误差是由于测量光轴与微位移工作台沿运动方向水平偏摆而不平行引入的误差。微位移工作台的水平偏摆角θ≤5角秒。由于采用差动式干涉仪结构,附加光程差为零。由于两边测量镜平行性误差仍引入附加误差为<10μm。
4.5 空气折射率测量误差un
空气折射率的变化量Δn通过测量温度、气压、湿度的波动进行计算。根据埃德勒公式
在计量室恒温、恒湿控制条件下,空气折射率变化量Δn一般是在0.1×10 -6的数量级,设极限误差是0.2×10-6。空气折射率测量误差:
4.6 干涉仪的光学零漂uz
干涉仪的光学零漂是由于干涉系统中的测量光束与参考光束两者在光程上存在初始距离差D所引起的,当测量过程中空气折射率发生变化时,这一初始光程差发生变化,uz=DΔn。差动式干涉光路系统的理想调整状态时D=0,所以设计时允许D有3mm的距离差,则
4.7 仪器分辨率误差ur
4.8 线膨胀误差ut
根据分析光学系统中工作台随温度变化而产生的尺寸不确定度≤0.05nm(50μm范围内)。对上述误差综合得到不确定度U(3σ)
参考文献
1 Teague E Clayton.J.Vac.Sci.Technol.B,1989,7(6):1898～1902
2 Schneir J,McWaid T H.J.Vac.Sci.Technol.B,1994,12(6):3561～3566
3 赵洋等.一种新型的纳米级外差干涉信号处理方法.仪器仪表学报,1995,16(1,纳米科学与技术增刊):398～401
4 杨国光.近代光学测试技术.北京:机械工业出版社,1983
*国防科工委“九·五”攻关项目
本文作者：
陈晓梅:女,1961年10月生,1982年毕业于哈尔滨工业大学精密仪器专业,1985年毕业于哈尔滨工业大学精密仪器专业(工学硕士)。高级工程师,从事几何量测量技术研究,参加的“表面粗糙度干涉图象处理系统”获1996年航空航天部科技进步奖二等奖。
曹 航:男,1963年6月生,1985年毕业于北京航空学院电气工程专业,工程师,从事电路设计。
