专利名称：基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种台阶型表面形貌测量装置及方法，特别涉及一种基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置及方法。
背景技术：
在精密计量领域中，常常需要对台阶距离进行很高精度的测量。同时，台阶型绝对距离精密测量在现代工业中也有着重要的需求，如半导体工艺中对微纳台阶高度的测量需求。
传统的非接触式台阶测量方法通常是基于白光干涉仪的原理。用白光作为光源进行干涉时，由于白光中包含很宽的光谱范围，其只在零光程差时才能得到对比度较好的干涉条纹。利用白光干涉的这一特性，构造Mirau干涉仪或者Twyman-Green干涉仪，将白光光源分成两路，分别进入参考光路和测量光路，通过调节光路使参考光路和测量光路的光程近似相等，用CCD探测两路光的反射光能够得到对比度较好的干涉条纹。再通过压电陶瓷驱动器驱动测量头(Mirau干涉仪中)或者参考镜(Twyman-Green干涉仪中)沿光路方向做扫描运动。此时，在CCD上可观测到每个台阶面对应像素随压电陶瓷扫描距离变化的干涉光强图谱。只有当每个台阶面处于严格等光程位置时，对应像素上才能得到光强的最大值。利用相移算法和垂直扫描干涉法计算干涉光强图谱的峰值，得到每个台阶面的零光程差点对应的压电陶瓷的扫描距离，进而实现台阶距离的精密测量。
利用以上白光干涉方法进行台阶距离精确测量，具有以下局限性1)因为白光的时间相干性小，只在等光程附近很小的范围内才能得到干涉条纹，所以光路调节比较困难， 需要将两路光调至等光程的位置。2、干涉图谱由压电陶瓷做机械扫描运动获得，而压电陶瓷的磁滞特性等会影响测量分辨率和精度，且压电陶瓷的运动范围也限制了台阶高度的测量范围。3)该方法测量结果无法与现行的计量基准联系，不满足计量学中对测量结果具有溯源性的要求。发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于飞秒光频梳的台阶距离测量方法及装置，纵向分辨率高、量程大、测量结果可溯源。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是
—种基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，包括飞秒光频梳1、铷钟2、第一单模光纤3-1、第二单模光纤3-2、第三单模光纤3-3、单模光纤耦合器4、第一光纤准直器5-1、第二光纤准直器5-2、第一扩束镜6-1、第二扩束镜6-2、光程延迟器7、分光镜8、待测台阶型表面9、带成像透镜系统的CXD探测器10以及计算机11，其位置关系为
铷钟2电连接至飞秒光频梳1，为其提供频率基准信号，以锁定重复频率和偏置频率，从而使最终的测量结果具有可溯源性；
飞秒光频梳1的输出通过第一单模光纤3-1进入单模光纤耦合器4，单模光纤耦合器4按照2 1的分光比将飞秒激光分成两束分别进入第二单模光纤3-2和第三单模光纤 3-3 ；
第二单模光纤3-2的出射端连接第一光纤准直器5-1，将飞秒脉冲激光准直成空间光，依次通过测量臂中的第一扩束镜6-1和分光镜8，入射至待测台阶型表面9上，其反射光再由分光镜8反射至CXD探测器10上；
第三单模光纤3-3的出射端连接第二光纤准直器5-2，将飞秒脉冲激光准直成空间光，进入参考臂中的光程延迟器7，由第二光纤准直器5-2准直形成的空间光的光斑与光程延迟器7要求的光斑匹配，准直的空间光从光程延迟器7输出后，依次通过第二扩束镜 6-2和分光镜8，与测量光的反射光合光，并由CCD探测器10接收；
CCD探测器10将接收到的每个台阶面对应的像素的光强值转化为电信号，传递给计算机11，同时计算机11控制飞秒光频梳1工作，扫描其重复频率，并通过CXD探测器10 的输出信号得到每个台阶面对应像素光强随重复频率值变化的干涉光强图谱，计算每个台阶面的相干峰值对应的重复频率值，从而计算出台阶的绝对距离。
其中，参考光和测量光合光时由光程延迟器7和空间光部分产生的总的光程差为 N个脉冲距离间隔，N为一个很大的正整数。
所述单模光纤耦合器4将入射光按照2 1的分光比将飞秒激光分成两束分别进入第二单模光纤3-2和第三单模光纤3-3，而分光镜8反射光和透射光的分光比为1 1。 使得最后CCD探测器10探测到的参考脉冲和测量脉冲的光强近似相等，提高得到的干涉条纹的对比度。
所述光程延迟器7采用Corning ULE 7972材料制成，反射镜的反射率很高，具有恒定的光程延迟，且光强损失很小。
所述第一扩束镜6-1用于扩束测量光，第二扩束镜6-2用于扩束参考光，使得扩束后两光斑尺寸匹配。
本发明还提供了一种基于所述测量装置的测量方法，包括以下步骤
A.采用已将重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准的飞秒光频梳1作为测量光源，将其出射光分成参考光和测量光，其中参考光经过一定的光程延迟后扩束，入射至 CXD探测器10 ；测量光经扩束后直接入射至待测台阶型表面9，其反射光入射至CXD探测器 10 ；
B.调谐飞秒光频梳的重复频率，使得待测台阶型表面9上的其中一个台阶平面即 1号台阶面9-1对应的CXD探测器10上像素获得相干峰值，记录此时的重复频率为f；；
C.此时对于台阶型表面9上的2号台阶面9-2，其对应的CXD探测器10上像素无法获得相干峰值；
D.再次调谐飞秒光频梳的重复频率，使得2号台阶面9-2对应的CXD探测器10上像素获得相干峰值，记录此时的重复频率为f' r;
Ε.根据参考光的光程延迟量，以及测得的两个台阶面各自对应的重复频率f；和 f' ρ计算得到台阶的绝对距离。
其中，所述参考光路中的光程延迟为N个脉冲距离间隔，N的取值为正整数，比如100，1号台阶面9-1对应的光程差AL = NLtl = Nc/f；，2号台阶面9_2对应的光程差八广=NL0 = Nc/f ‘ ρ由1号台阶面9-1和2号台阶面9-2构成的台阶的绝对距离
权利要求
1.一种基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，包括飞秒光频梳(1)、铷钟O)、第一单模光纤(3-1)、第二单模光纤(3-2)、第三单模光纤(3-3)、单模光纤耦合器 (4)、第一光纤准直器(5-1)、第二光纤准直器(5- 、第一扩束镜(6-1)、第二扩束镜(6-2)、 光程延迟器(7)、分光镜(8)、待测台阶型表面(9)、带成像透镜系统的CCD探测器(10)以及计算机(11)，其位置关系为铷钟O)电连接至飞秒光频梳(1)，为其提供频率基准信号，以锁定重复频率和偏置频率，从而使最终的测量结果具有可溯源性；飞秒光频梳(1)的输出通过第一单模光纤(3-1)进入单模光纤耦合器，单模光纤耦合器(4)按照2 1的分光比将飞秒激光分成两束分别进入第二单模光纤(3- 和第三单模光纤(3-3)；第二单模光纤(3-2)的出射端连接第一光纤准直器(5-1)，将飞秒脉冲激光准直成空间光，依次通过测量臂中的第一扩束镜(6-1)和分光镜(8)，入射至待测台阶型表面(9)上， 其反射光再由分光镜(8)反射至CCD探测器(10)上；第三单模光纤(3-3)的出射端连接第二光纤准直器(5-2)，将飞秒脉冲激光准直成空间光，进入参考臂中的光程延迟器(7)，由第二光纤准直器(5-2)准直形成的空间光的光斑与光程延迟器(7)要求的光斑匹配，准直的空间光从光程延迟器(7)输出后，依次通过第二扩束镜(6- 和分光镜(8)，与测量光的反射光合光，并由CCD探测器(10)接收；CCD探测器(10)将接收到的每个台阶面对应的像素的光强值转化为电信号，传递给计算机(11)，同时计算机(11)控制飞秒光频梳(1)工作，扫描其重复频率，并通过CXD探测器 (10)的输出信号得到每个台阶面对应像素光强随重复频率值变化的干涉光强图谱，计算每个台阶面的相干峰值对应的重复频率值，从而计算出台阶的绝对距离。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，参考光和测量光合光时由光程延迟器(7)和空间光部分产生的总的光程差为N个脉冲距离间隔。
3.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，所述飞秒光频梳(11)的中心波长为1560nm，偏置频率f；为20MHz，重复频率f,为250MHz，可调谐的最大范围为3MHz，调谐的分辨率为0.01Hz，其重复频率和偏置频率均锁定至铷钟O)的频率基准。
4.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，所述单模光纤耦合器(4)将入射光按照2 1的分光比将飞秒激光分成两束分别进入第二单模光纤(3- 和第三单模光纤(3-3)，而反射镜8反射光和透射光的分光比为1 1，使得最后 CCD探测器(10)探测到的参考脉冲和测量脉冲的光强近似相等，提高得到的干涉条纹的对 ^匕貞。
5.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，所述光程延迟器(7)采用Corning ULE 7972材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于飞秒光频梳的台阶距离测量装置，其特征在于，所述第一扩束镜(6-1)用于扩束测量光，第二扩束镜(6- 用于扩束参考光，使得扩束后两光斑尺寸匹配。
7.一种基于权利要求1所述测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤A.采用已将重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准的飞秒光频梳(1)作为测量光源，将其出射光分成参考光和测量光，其中参考光经过一定的光程延迟后扩束，入射至CCD 探测器(10)；测量光经扩束后直接入射至待测台阶型表面(9)，其反射光入射至CCD探测器 (10)；B.调谐飞秒光频梳(1)的重复频率，使得台阶型表面(9)上的1号台阶面(9-1)对应的CXD探测器(10)上像素获得相干峰值，记录此时的重复频率为f；；C.此时对于台阶型表面(9)上的2号台阶面(9-2)，其对应的CXD探测器(10)上像素无法获得相干峰值；D.再次调谐飞秒光频梳(1)的重复频率，使得2号台阶面(9- 对应的CCD探测器 (10)上像素获得相干峰值，记录此时的重复频率为f' r ；Ε.根据参考光的光程延迟量，以及测得的两个台阶面各自对应的重复频率f；和f' r, 计算得到由1号台阶面(9-1)和2号台阶面(9-2)构成的台阶的绝对距离。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述参考光路中的光程延迟为N个脉冲距离间隔，则1号台阶面(9-1)对应的光程差AL = NLtl = Nc/f;，2号台阶面(9_2)对应的光程差AL' = NL0 = Nc/f‘ ρ由1号台阶面(9-1)和2号台阶面(9-2)构成的台阶的 绝对距离力
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，N取100。
10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，台阶高度的分辨率
全文摘要
一种基于飞秒光频梳的台阶型表面形貌测量装置及方法，采用已将重复频率和偏置频率锁定至微波频率基准的飞秒光频梳作为光源，分光后将其中的参考光经过一定的光程延迟后与测量光干涉，扫描飞秒光频梳的重复频率并获得每个台阶面对应像素接收到的光强的相干峰值位置，再利用相干峰值对应的重复频率和光程延迟量计算得到台阶的绝对距离；本发明克服了传统方法光路调节难度大和精度受限于压电陶瓷机械运动精度的缺点，且具有纵向分辨率高、测量范围大的优点，同时，飞秒光频梳的重复频率和偏置频率均锁定至铷钟频率基准，测量结果具有可溯源性。
文档编号G01B11/02GK102494615SQ20111036112
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者吴学健, 尉昊赟, 张丽琼, 张继涛, 朱敏昊, 李岩 申请人:清华大学