專利名稱：基于飛秒光頻梳的臺階距離測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種臺階型表面形貌測量裝置及方法，特別涉及一種基于飛秒光頻梳的臺階距離測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
在精密計量領(lǐng)域中，常常需要對臺階距離進行很高精度的測量。同時，臺階型絕對距離精密測量在現(xiàn)代工業(yè)中也有著重要的需求，如半導(dǎo)體工藝中對微納臺階高度的測量需求。
傳統(tǒng)的非接觸式臺階測量方法通常是基于白光干涉儀的原理。用白光作為光源進行干涉時，由于白光中包含很寬的光譜范圍，其只在零光程差時才能得到對比度較好的干涉條紋。利用白光干涉的這一特性，構(gòu)造Mirau干涉儀或者Twyman-Green干涉儀，將白光光源分成兩路，分別進入?yún)⒖脊饴泛蜏y量光路，通過調(diào)節(jié)光路使參考光路和測量光路的光程近似相等，用CCD探測兩路光的反射光能夠得到對比度較好的干涉條紋。再通過壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動測量頭(Mirau干涉儀中)或者參考鏡(Twyman-Green干涉儀中)沿光路方向做掃描運動。此時，在CCD上可觀測到每個臺階面對應(yīng)像素隨壓電陶瓷掃描距離變化的干涉光強圖譜。只有當(dāng)每個臺階面處于嚴(yán)格等光程位置時，對應(yīng)像素上才能得到光強的最大值。利用相移算法和垂直掃描干涉法計算干涉光強圖譜的峰值，得到每個臺階面的零光程差點對應(yīng)的壓電陶瓷的掃描距離，進而實現(xiàn)臺階距離的精密測量。
利用以上白光干涉方法進行臺階距離精確測量，具有以下局限性1)因為白光的時間相干性小，只在等光程附近很小的范圍內(nèi)才能得到干涉條紋，所以光路調(diào)節(jié)比較困難， 需要將兩路光調(diào)至等光程的位置。2、干涉圖譜由壓電陶瓷做機械掃描運動獲得，而壓電陶瓷的磁滯特性等會影響測量分辨率和精度，且壓電陶瓷的運動范圍也限制了臺階高度的測量范圍。3)該方法測量結(jié)果無法與現(xiàn)行的計量基準(zhǔn)聯(lián)系，不滿足計量學(xué)中對測量結(jié)果具有溯源性的要求。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于飛秒光頻梳的臺階距離測量方法及裝置，縱向分辨率高、量程大、測量結(jié)果可溯源。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
—種基于飛秒光頻梳的臺階距離測量裝置，包括飛秒光頻梳1、銣鐘2、第一單模光纖3-1、第二單模光纖3-2、第三單模光纖3-3、單模光纖耦合器4、第一光纖準(zhǔn)直器5-1、第二光纖準(zhǔn)直器5-2、第一擴束鏡6-1、第二擴束鏡6-2、光程延遲器7、分光鏡8、待測臺階型表面9、帶成像透鏡系統(tǒng)的CXD探測器10以及計算機11，其位置關(guān)系為
銣鐘2電連接至飛秒光頻梳1，為其提供頻率基準(zhǔn)信號，以鎖定重復(fù)頻率和偏置頻率，從而使最終的測量結(jié)果具有可溯源性；
飛秒光頻梳1的輸出通過第一單模光纖3-1進入單模光纖耦合器4，單模光纖耦合器4按照2 1的分光比將飛秒激光分成兩束分別進入第二單模光纖3-2和第三單模光纖 3-3 ；
第二單模光纖3-2的出射端連接第一光纖準(zhǔn)直器5-1，將飛秒脈沖激光準(zhǔn)直成空間光，依次通過測量臂中的第一擴束鏡6-1和分光鏡8，入射至待測臺階型表面9上，其反射光再由分光鏡8反射至CXD探測器10上；
第三單模光纖3-3的出射端連接第二光纖準(zhǔn)直器5-2，將飛秒脈沖激光準(zhǔn)直成空間光，進入?yún)⒖急壑械墓獬萄舆t器7，由第二光纖準(zhǔn)直器5-2準(zhǔn)直形成的空間光的光斑與光程延遲器7要求的光斑匹配，準(zhǔn)直的空間光從光程延遲器7輸出后，依次通過第二擴束鏡 6-2和分光鏡8，與測量光的反射光合光，并由CCD探測器10接收；
CCD探測器10將接收到的每個臺階面對應(yīng)的像素的光強值轉(zhuǎn)化為電信號，傳遞給計算機11，同時計算機11控制飛秒光頻梳1工作，掃描其重復(fù)頻率，并通過CXD探測器10 的輸出信號得到每個臺階面對應(yīng)像素光強隨重復(fù)頻率值變化的干涉光強圖譜，計算每個臺階面的相干峰值對應(yīng)的重復(fù)頻率值，從而計算出臺階的絕對距離。
其中，參考光和測量光合光時由光程延遲器7和空間光部分產(chǎn)生的總的光程差為 N個脈沖距離間隔，N為一個很大的正整數(shù)。
所述單模光纖耦合器4將入射光按照2 1的分光比將飛秒激光分成兩束分別進入第二單模光纖3-2和第三單模光纖3-3，而分光鏡8反射光和透射光的分光比為1 1。 使得最后CCD探測器10探測到的參考脈沖和測量脈沖的光強近似相等，提高得到的干涉條紋的對比度。
所述光程延遲器7采用Corning ULE 7972材料制成，反射鏡的反射率很高，具有恒定的光程延遲，且光強損失很小。
所述第一擴束鏡6-1用于擴束測量光，第二擴束鏡6-2用于擴束參考光，使得擴束后兩光斑尺寸匹配。
本發(fā)明還提供了一種基于所述測量裝置的測量方法，包括以下步驟
A.采用已將重復(fù)頻率和偏置頻率鎖定至微波頻率基準(zhǔn)的飛秒光頻梳1作為測量光源，將其出射光分成參考光和測量光，其中參考光經(jīng)過一定的光程延遲后擴束，入射至 CXD探測器10 ；測量光經(jīng)擴束后直接入射至待測臺階型表面9，其反射光入射至CXD探測器 10 ；
B.調(diào)諧飛秒光頻梳的重復(fù)頻率，使得待測臺階型表面9上的其中一個臺階平面即 1號臺階面9-1對應(yīng)的CXD探測器10上像素獲得相干峰值，記錄此時的重復(fù)頻率為f；；
C.此時對于臺階型表面9上的2號臺階面9-2，其對應(yīng)的CXD探測器10上像素?zé)o法獲得相干峰值；
D.再次調(diào)諧飛秒光頻梳的重復(fù)頻率，使得2號臺階面9-2對應(yīng)的CXD探測器10上像素獲得相干峰值，記錄此時的重復(fù)頻率為f' r;
Ε.根據(jù)參考光的光程延遲量，以及測得的兩個臺階面各自對應(yīng)的重復(fù)頻率f；和 f' ρ計算得到臺階的絕對距離。
其中，所述參考光路中的光程延遲為N個脈沖距離間隔，N的取值為正整數(shù)，比如100，1號臺階面9-1對應(yīng)的光程差A(yù)L = NLtl = Nc/f；，2號臺階面9_2對應(yīng)的光程差八廣=NL0 = Nc/f ‘ ρ由1號臺階面9-1和2號臺階面9-2構(gòu)成的臺階的絕對距離
權(quán)利要求
1.一種基于飛秒光頻梳的臺階距離測量裝置，其特征在于，包括飛秒光頻梳(1)、銣鐘O)、第一單模光纖(3-1)、第二單模光纖(3-2)、第三單模光纖(3-3)、單模光纖耦合器 (4)、第一光纖準(zhǔn)直器(5-1)、第二光纖準(zhǔn)直器(5- 、第一擴束鏡(6-1)、第二擴束鏡(6-2)、 光程延遲器(7)、分光鏡(8)、待測臺階型表面(9)、帶成像透鏡系統(tǒng)的CCD探測器(10)以及計算機(11)，其位置關(guān)系為銣鐘O)電連接至飛秒光頻梳(1)，為其提供頻率基準(zhǔn)信號，以鎖定重復(fù)頻率和偏置頻率，從而使最終的測量結(jié)果具有可溯源性；飛秒光頻梳(1)的輸出通過第一單模光纖(3-1)進入單模光纖耦合器，單模光纖耦合器(4)按照2 1的分光比將飛秒激光分成兩束分別進入第二單模光纖(3- 和第三單模光纖(3-3)；第二單模光纖(3-2)的出射端連接第一光纖準(zhǔn)直器(5-1)，將飛秒脈沖激光準(zhǔn)直成空間光，依次通過測量臂中的第一擴束鏡(6-1)和分光鏡(8)，入射至待測臺階型表面(9)上， 其反射光再由分光鏡(8)反射至CCD探測器(10)上；第三單模光纖(3-3)的出射端連接第二光纖準(zhǔn)直器(5-2)，將飛秒脈沖激光準(zhǔn)直成空間光，進入?yún)⒖急壑械墓獬萄舆t器(7)，由第二光纖準(zhǔn)直器(5-2)準(zhǔn)直形成的空間光的光斑與光程延遲器(7)要求的光斑匹配，準(zhǔn)直的空間光從光程延遲器(7)輸出后，依次通過第二擴束鏡(6- 和分光鏡(8)，與測量光的反射光合光，并由CCD探測器(10)接收；CCD探測器(10)將接收到的每個臺階面對應(yīng)的像素的光強值轉(zhuǎn)化為電信號，傳遞給計算機(11)，同時計算機(11)控制飛秒光頻梳(1)工作，掃描其重復(fù)頻率，并通過CXD探測器 (10)的輸出信號得到每個臺階面對應(yīng)像素光強隨重復(fù)頻率值變化的干涉光強圖譜，計算每個臺階面的相干峰值對應(yīng)的重復(fù)頻率值，從而計算出臺階的絕對距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于飛秒光頻梳的臺階距離測量裝置，其特征在于，參考光和測量光合光時由光程延遲器(7)和空間光部分產(chǎn)生的總的光程差為N個脈沖距離間隔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于飛秒光頻梳的臺階距離測量裝置，其特征在于，所述飛秒光頻梳(11)的中心波長為1560nm，偏置頻率f；為20MHz，重復(fù)頻率f,為250MHz，可調(diào)諧的最大范圍為3MHz，調(diào)諧的分辨率為0.01Hz，其重復(fù)頻率和偏置頻率均鎖定至銣鐘O)的頻率基準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于飛秒光頻梳的臺階距離測量裝置，其特征在于，所述單模光纖耦合器(4)將入射光按照2 1的分光比將飛秒激光分成兩束分別進入第二單模光纖(3- 和第三單模光纖(3-3)，而反射鏡8反射光和透射光的分光比為1 1，使得最后 CCD探測器(10)探測到的參考脈沖和測量脈沖的光強近似相等，提高得到的干涉條紋的對 ^匕貞。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于飛秒光頻梳的臺階距離測量裝置，其特征在于，所述光程延遲器(7)采用Corning ULE 7972材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于飛秒光頻梳的臺階距離測量裝置，其特征在于，所述第一擴束鏡(6-1)用于擴束測量光，第二擴束鏡(6- 用于擴束參考光，使得擴束后兩光斑尺寸匹配。
7.一種基于權(quán)利要求1所述測量裝置的測量方法，其特征在于，包括以下步驟A.采用已將重復(fù)頻率和偏置頻率鎖定至微波頻率基準(zhǔn)的飛秒光頻梳(1)作為測量光源，將其出射光分成參考光和測量光，其中參考光經(jīng)過一定的光程延遲后擴束，入射至CCD 探測器(10)；測量光經(jīng)擴束后直接入射至待測臺階型表面(9)，其反射光入射至CCD探測器 (10)；B.調(diào)諧飛秒光頻梳(1)的重復(fù)頻率，使得臺階型表面(9)上的1號臺階面(9-1)對應(yīng)的CXD探測器(10)上像素獲得相干峰值，記錄此時的重復(fù)頻率為f；；C.此時對于臺階型表面(9)上的2號臺階面(9-2)，其對應(yīng)的CXD探測器(10)上像素?zé)o法獲得相干峰值；D.再次調(diào)諧飛秒光頻梳(1)的重復(fù)頻率，使得2號臺階面(9- 對應(yīng)的CCD探測器 (10)上像素獲得相干峰值，記錄此時的重復(fù)頻率為f' r ；Ε.根據(jù)參考光的光程延遲量，以及測得的兩個臺階面各自對應(yīng)的重復(fù)頻率f；和f' r, 計算得到由1號臺階面(9-1)和2號臺階面(9-2)構(gòu)成的臺階的絕對距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量方法，其特征在于，所述參考光路中的光程延遲為N個脈沖距離間隔，則1號臺階面(9-1)對應(yīng)的光程差A(yù)L = NLtl = Nc/f;，2號臺階面(9_2)對應(yīng)的光程差A(yù)L' = NL0 = Nc/f‘ ρ由1號臺階面(9-1)和2號臺階面(9-2)構(gòu)成的臺階的 絕對距離力
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量方法，其特征在于，N取100。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量方法，其特征在于，臺階高度的分辨率
全文摘要
一種基于飛秒光頻梳的臺階型表面形貌測量裝置及方法，采用已將重復(fù)頻率和偏置頻率鎖定至微波頻率基準(zhǔn)的飛秒光頻梳作為光源，分光后將其中的參考光經(jīng)過一定的光程延遲后與測量光干涉，掃描飛秒光頻梳的重復(fù)頻率并獲得每個臺階面對應(yīng)像素接收到的光強的相干峰值位置，再利用相干峰值對應(yīng)的重復(fù)頻率和光程延遲量計算得到臺階的絕對距離；本發(fā)明克服了傳統(tǒng)方法光路調(diào)節(jié)難度大和精度受限于壓電陶瓷機械運動精度的缺點，且具有縱向分辨率高、測量范圍大的優(yōu)點，同時，飛秒光頻梳的重復(fù)頻率和偏置頻率均鎖定至銣鐘頻率基準(zhǔn)，測量結(jié)果具有可溯源性。
文檔編號G01B11/02GK102494615SQ20111036112
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者吳學(xué)健, 尉昊赟, 張麗瓊, 張繼濤, 朱敏昊, 李巖 申請人:清華大學(xué)