專利名稱：利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的方法，屬于精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域納米計(jì)量學(xué)是20世紀(jì)最后十年才誕生的一門全新的學(xué)科。根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研究所(NIST)的定義納米計(jì)量學(xué)是測(cè)量1納米或更小的物體尺寸或物體確定性的科學(xué)。它是納米科學(xué)的一個(gè)重要基礎(chǔ)和分支，占有舉足輕重的地位。例如，在過(guò)去35年的電子革命過(guò)程中，微電子技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展使門電路的尺寸不斷縮小，使得手持蜂窩式移動(dòng)電話、地球低軌道上質(zhì)量?jī)H僅為10公斤的小型衛(wèi)星廣播系統(tǒng)，以及可以與70年代大型計(jì)算機(jī)相匹敵的個(gè)人計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。在大規(guī)模集成電路的實(shí)踐生產(chǎn)中0.25微米的刻線寬度已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)了，目前標(biāo)志著先進(jìn)程度的DRAM生產(chǎn)，已經(jīng)能夠生產(chǎn)出單片1千兆字節(jié)的芯片。而且美國(guó)、日本、韓國(guó)和臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)的集成電路生產(chǎn)廠家正在進(jìn)行線寬0.15微米以下生產(chǎn)廠的建設(shè)。自從體硅腐蝕技術(shù)發(fā)明以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)可以用半導(dǎo)體制造技術(shù)批量生產(chǎn)許多宏觀機(jī)械系統(tǒng)的樣機(jī)，導(dǎo)致了微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)。目前利用這種技術(shù)生產(chǎn)的加速度計(jì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車的安全系統(tǒng)中。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)利用其先進(jìn)的微納米制造技術(shù)，制造并發(fā)射了數(shù)十顆質(zhì)量在幾十公斤的小型衛(wèi)星在獲取信息方面占據(jù)了主動(dòng)，從而為戰(zhàn)爭(zhēng)的最后勝利奠定了基礎(chǔ)。所有的這些都是與微納米測(cè)量分不開(kāi)的，因此納米精度的測(cè)量對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)乃至軍事領(lǐng)域都有著巨大的意義。
在已有技術(shù)中測(cè)量精度最高的光學(xué)方法是F-P干涉儀方法(或稱頻率跟蹤方法)當(dāng)光學(xué)諧振腔的腔長(zhǎng)L與光波波長(zhǎng)λ之間滿足如下的關(guān)系時(shí)
將發(fā)生干涉相加，諧振腔的輸出光強(qiáng)極大，式中N為干涉級(jí)次，c為光速，f為光波頻率。如果鎖定諧振腔的輸出光強(qiáng)為極大，則當(dāng)腔長(zhǎng)改變?chǔ)腖時(shí)，會(huì)有頻率的改變?chǔ)膄，二者的關(guān)系為
。經(jīng)過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的碘穩(wěn)頻激光器比對(duì)，L、f值是可以測(cè)量得到的，則通過(guò)測(cè)量δf就可以得到δL。典型的光頻為1014Hz，所以從理論講這種方法的測(cè)量精度也是可以達(dá)到皮米量級(jí)的。
這個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程是直接調(diào)制激光腔的腔鏡，因此受F-P諧振腔出光條件和激光器輸出光強(qiáng)的限制較大。系統(tǒng)對(duì)測(cè)量環(huán)境、測(cè)量過(guò)程等要求比較嚴(yán)格，目前只能工作在真空中。另外，由于F-P諧振腔腔鏡的移動(dòng)范圍有限，測(cè)量過(guò)程中激光器的跳?，F(xiàn)象限制了測(cè)量范圍。
從目前的納米測(cè)量手段來(lái)講，普遍存在的問(wèn)題是測(cè)量范圍有限，對(duì)環(huán)境的敏感程度較高，需要嚴(yán)格的環(huán)境控制，實(shí)用化的程度比較低。
本發(fā)明的目的是提出一種利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的方法和裝置，克服現(xiàn)有納米測(cè)量方案中上述的缺點(diǎn)，為納米亞納米測(cè)量提供了一種新的測(cè)量方法。
本發(fā)明提出的利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的方法，包括以下各步驟(1)選擇能夠獲得兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2的激光光源，使其輸出光波的偏振方向正交，其合成波長(zhǎng)λs為10mm到500mm；(2)設(shè)計(jì)一個(gè)參考干涉儀，該干涉儀包括上述的激光光源、參考鏡、非偏振分光元件和偏振分光元件。非偏振分光元件位于激光光源和偏振分光元件之間，光源的出射光射向非偏振分光元件，反射光波射向參考鏡，透射光射向偏振分光元件，由于偏振分光元件的作用，激光光源輸出的光波中，一個(gè)偏振方向的光λ1被其反射，在參考干涉儀中進(jìn)行干涉，另一個(gè)偏振方向的光λ2透射過(guò)偏振分光元件；(3)在上述參考干涉儀的偏振分光元件外側(cè)放置一個(gè)測(cè)量鏡，該測(cè)量鏡與上述參考干涉儀中的激光光源、非偏振分光元件和參考鏡一起構(gòu)成測(cè)量干涉儀，使λ2在測(cè)量干涉儀中進(jìn)行干涉；(4)使測(cè)量干涉儀中測(cè)量鏡的納米位移Δl2代表被測(cè)位移，上述兩個(gè)干涉儀的公共參考鏡在合成波長(zhǎng)量級(jí)的范圍移動(dòng)，設(shè)位移為ΔL，則測(cè)量鏡與參考鏡之間的位移關(guān)系有Δl2=λ2λsΔL]]>計(jì)算出Δl2，即完成了本發(fā)明的測(cè)量。
本發(fā)明提出的利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的方法，還有一種方案，包括以下各步驟(1)選擇能夠獲得兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2的激光光源，使其輸出光波的偏振方向正交，其合成波長(zhǎng)λs為10mm到500mm；(2)設(shè)計(jì)一個(gè)參考干涉儀，該干涉儀包括上述激光光源，反射鏡和偏振分光元件，反射鏡和偏振分光元件構(gòu)成折疊腔式法布里-珀羅諧振腔的形式，光源的兩個(gè)光波入射到法布里-珀羅諧振腔中，波長(zhǎng)λ1被偏振分光元件反射，在參考干涉儀中進(jìn)行干涉，波長(zhǎng)λ2透射過(guò)偏振分光元件；(3)在偏振分光元件的外側(cè)放置一個(gè)測(cè)量鏡，該測(cè)量鏡和上述參考干涉儀中的激光光源、反射鏡共同構(gòu)成測(cè)量干涉儀，也具有折疊式法布里-珀羅諧振腔，波長(zhǎng)λ2在此干涉儀中干涉；(4)使測(cè)量鏡的納米位移Δl2代表被測(cè)位移，反射鏡和偏振分光元件之間的距離變化為ΔL，二者之間的位移關(guān)系有Δl2=λ2λsΔL]]>計(jì)算出Δl2，即完成了本發(fā)明的測(cè)量。
本發(fā)明提出的方法具有納米量級(jí)的位移測(cè)量精度，并且具有較強(qiáng)的環(huán)境抗干擾能力，低成本、易于實(shí)用化。對(duì)納米傳感器的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度的納米傳遞，SPM的位置測(cè)量，解決各種微型軍事裝備的研究制造等納米測(cè)量問(wèn)題有著重要的理論和實(shí)際意義。為滿足納米尺度的測(cè)量和控制的需要，為微光學(xué)、微機(jī)械、集成光電子學(xué)等領(lǐng)域服務(wù)。


附圖1是利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)納米位移測(cè)量的原理框圖。
附圖2是根據(jù)同樣測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的另外一種方案原理框圖。
圖1和圖2中，1是激光光源，2是非偏振分光元件，3是參考鏡，4是偏振分光元件，5是測(cè)量鏡，6是偏振分光鏡，7是接收器1，8是分光棱鏡，9是接收器3，10是接收器2，11是反射鏡。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。本發(fā)明的利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的方法中涉及到的測(cè)量原理可以有附圖1和附圖2的光路布置。首先按照附圖1詳細(xì)介紹該方法的納米位移測(cè)量過(guò)程和擴(kuò)大測(cè)量范圍的原理。
附圖1中存在兩個(gè)干涉儀，其中參考干涉儀由激光光源、非偏振分光元件、偏振分光元件和參考鏡組成，波長(zhǎng)λ1的光在此干涉儀中進(jìn)行干涉；測(cè)量干涉儀由光源、非偏振分光元件、參考鏡和測(cè)量鏡組成，波長(zhǎng)λ2的光在這個(gè)干涉儀中干涉。
參考干涉儀和測(cè)量干涉儀是共光路結(jié)構(gòu)在非偏振分光元件和參考鏡之間的參考臂中λ1和λ2走過(guò)的光程是一樣的，在分光棱鏡和偏振分光棱鏡之間的這部分光路中也是一樣的，只有在偏振分光元件和測(cè)量鏡間的測(cè)量光路中是不同的。物理上這段距離充分小，以減小環(huán)境變化(例如溫度變化、振動(dòng)和空氣擾動(dòng)等因素)的干擾。這種共光路結(jié)構(gòu)能夠極大地消除外界擾動(dòng)給測(cè)量信號(hào)帶來(lái)的影響。
本方法中，光源采用穩(wěn)頻的He-Ne雙縱模激光器，它的輸出為偏振方向正交的兩個(gè)線偏振光λ1和λ2，合成波長(zhǎng)為λs。附圖1中的偏振元件對(duì)λ1形成反射，對(duì)λ2形成透射。當(dāng)光源輸出的光λ1和λ2入射到非偏振分光元件上以后，波長(zhǎng)λ1的反射光射向參考鏡形成參考干涉儀的參考臂；透射光射向偏振分光棱鏡并被反射。當(dāng)二者再一次匯合到分光棱鏡上形成干涉，其干涉信號(hào)由接收器1接收，根據(jù)干涉儀原理其信號(hào)可以如下表示

式中，Lref為λ1在參考干涉儀中的光程差，即參考鏡、偏振分光元件分別到非偏振分光元件的光程之差。
波長(zhǎng)λ2入射到非偏振分光元件以后，反射光射向參考鏡形成參考臂；透射光將穿過(guò)偏振分光元件射向測(cè)量鏡。λ2被參考鏡和測(cè)量鏡反射后，匯合到非偏振分光元件上形成干涉，在探測(cè)器2上形成又一路干涉信號(hào)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，Lmeas是測(cè)量干涉儀中的光程差，即參考鏡、測(cè)量鏡分別到非偏振分光元件的光程之差。引入變量l2＝Lmeas-Lref。
按照附圖2介紹該方法的另外一種結(jié)構(gòu)的納米位移測(cè)量過(guò)程和擴(kuò)大測(cè)量范圍的原理。
附圖2中存在兩個(gè)參考干涉儀和測(cè)量干涉儀，其中參考干涉儀由激光光源、反射鏡和偏振分光元件組成，波長(zhǎng)λ1的光在此干涉儀中進(jìn)行干涉；測(cè)量干涉儀由激光光源、反射鏡和測(cè)量鏡組成，波長(zhǎng)λ2的光在此干涉儀中干涉。反射鏡分別與偏振元件和測(cè)量鏡構(gòu)成兩個(gè)折疊式法布里-珀羅諧振腔。
參考干涉儀和測(cè)量干涉儀是共光路結(jié)構(gòu)，在反射鏡和偏振分光元件之間的光程是-樣的，只有在偏振分光元件和測(cè)量鏡間的測(cè)量光路中是不同的。物理上這段距離充分小，以減小環(huán)境變化(例如溫度變化、振動(dòng)和空氣擾動(dòng)等因素)的干擾。這種共光路結(jié)構(gòu)能夠極大地消除外界擾動(dòng)給測(cè)量信號(hào)帶來(lái)的影響。
本方法中，光源采用穩(wěn)頻的He-Ne雙縱模激光器，它的輸出為偏振方向正交的兩個(gè)線偏振光λ1和λ2，合成波長(zhǎng)為λs。附圖2中的偏振元件對(duì)對(duì)λ2形成透射。當(dāng)光源輸出的光λ1和λ2透過(guò)反射鏡，入射到偏振分光元件上以后，λ1被反射，在反射鏡和偏振元件組成的法布里-珀羅諧振腔中反射并產(chǎn)生干涉。其干涉信號(hào)由接收器1接收，根據(jù)干涉儀原理其信號(hào)可以如下表示

式中，Lref為λ1在參考干涉儀中的光程差。
波長(zhǎng)λ2被偏振分光元件透射，射向測(cè)量鏡，在由反射鏡和測(cè)量鏡組成的法布里-珀羅諧振腔中反射并產(chǎn)生干涉。在探測(cè)器2上形成λ2的干涉信號(hào)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，Lmeas是測(cè)量干涉儀中的光程差。
調(diào)整干涉儀反射鏡與偏振分光元件之間的距離，使1和2同位相，數(shù)學(xué)描述為Δ＝1-2＝0。
測(cè)量鏡9給出被測(cè)位移Δl2。則干涉信號(hào)變?yōu)楂?′＝1

令測(cè)量測(cè)量鏡和偏振元件之間的距離變化ΔL，并在測(cè)量中保持兩路信號(hào)的相位差不變，則有


根據(jù)相位差不變的條件有

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以得到公式Δl2=λ2λsΔL]]>上式即為納米測(cè)量的原理公式。
為了擴(kuò)大本方法的測(cè)量范圍，在附圖2中所示的方案中還可以增加如附圖1中的分光棱鏡和接收器3。它們?cè)硪粯?，從略?br> 最終的測(cè)量公式亦為Δl2=12nλ2+λ2λsΔL]]>計(jì)算出Δl2，即完成了本發(fā)明的測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)選擇能夠獲得兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2的激光光源，使其輸出光波的偏振方向正交，其合成波長(zhǎng)λs為10mm到500mm；儀，該干涉儀包括上述的激光光源、參考鏡、非偏振分光元件和偏振分光元件，(2)設(shè)計(jì)一個(gè)參考干涉非偏振分光元件位于激光光源和偏振分光元件之間，光源的出射光射向非偏振分光元件，反射光波射向參考鏡，透射光射向偏振分光元件，由于偏振分光元件的作用，激光光源輸出的光波中，一個(gè)偏振方向的光λ1被其反射，在參考干涉儀中進(jìn)行干涉，另一個(gè)偏振方向的光λ2透射過(guò)偏振分光元件；(4)在上述參考干涉儀的偏振分光元件外側(cè)放置一個(gè)測(cè)量鏡，該測(cè)量鏡與上述參考干涉儀中的激光光源、非偏振分光元件和參考鏡一起構(gòu)成測(cè)量干涉儀，使λ2在測(cè)量干涉儀中進(jìn)行干涉；(5)使測(cè)量干涉儀中測(cè)量鏡的納米位移Δl2代表被測(cè)位移，上述兩個(gè)干涉儀的公共參考鏡在合成波長(zhǎng)量級(jí)的范圍移動(dòng)，設(shè)位移為ΔL，則測(cè)量鏡與參考鏡之間的位移關(guān)系有Δl2=λ2λsΔL]]>計(jì)算出Δl2，即完成了本發(fā)明的測(cè)量。
2.一種利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)選擇能夠獲得兩個(gè)波長(zhǎng)λ1和λ2的激光光源，使其輸出光波的偏振方向正交，其合成波長(zhǎng)λs為10mm到500mm；(2)設(shè)計(jì)一個(gè)參考干涉儀，該干涉儀包括上述激光光源，反射鏡和偏振分光元件，反射鏡和偏振分光元件構(gòu)成折疊腔式法布里-珀羅諧振腔的形式，光源的兩個(gè)光波入射到法布里-珀羅諧振腔中，波長(zhǎng)λ1被偏振分光元件反射，在參考干涉儀中進(jìn)行干涉，波長(zhǎng)λ2透射過(guò)偏振分光元件；(3)在偏振分光元件的外側(cè)放置一個(gè)測(cè)量鏡，該測(cè)量鏡和上述參考干涉儀中的激光光源、反射鏡共同構(gòu)成測(cè)量干涉儀，即為折疊式法布里-珀羅諧振腔，波長(zhǎng)λ2在此干涉儀中干涉；(4)使測(cè)量鏡的納米位移Δl2代表被測(cè)位移，反射鏡和偏振分光元件之間的距離變化為ΔL，二者之間的位移關(guān)系有Δl2=λ2λsΔL]]>計(jì)算出Δl2，即完成了本發(fā)明的測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用合成波長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量的方法,選擇能夠獲得兩個(gè)波長(zhǎng)λ
文檔編號(hào)G01B9/02GK1278057SQ00109499
公開(kāi)日2000年12月27日 申請(qǐng)日期2000年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月7日
發(fā)明者趙洋, 程曉輝, 李達(dá)成 申請(qǐng)人:清華大學(xué)