一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统的制作方法
【专利摘要】一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统，属薄膜测厚【技术领域】。包括ASE光源，波长解调仪及法珀腔干涉平台等。该系统利用光纤准直器将激光器输出的光垂直打到反射镜面，从而在准直器端面和反射镜面中间形成法珀腔，使两束反射光形成干涉，从而通过波长解调仪解调出干涉光的强度变化，再通过相位解调算法，求得没有加入薄膜时法珀腔的腔长，之后在工件下面放上薄膜，抬高反射镜，缩短反射镜到准直器的距离，改变法珀腔的腔长，求得加入薄膜后法珀腔的腔长，没有加入和加入薄膜的两个腔长的差值即为薄膜的厚度。本发明系统通过测量距离间接地求得薄膜的厚度，既能测量透明薄膜也可以测量不透明薄膜。该系统构造简单，测量精度很高，比较容易实现。
【专利说明】一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统。属于光学薄膜测厚【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近几十年来，薄膜技术发展迅猛，应用范围也涵盖了工业，农业，建筑，交通运输，医学，天文学，军事以及宇航等领域，光学薄膜的需求不断增大，对器件特性的要求也越来越高。物理厚度是薄膜的基本参数之一，它会影响整个器件的最终性能，因此快速精确的测
量薄膜厚度具有重要意义。
[0003]目前，基于光干涉法测量薄膜厚度主要有激光干涉法和白光干涉法。与激光光源相比，以白光为代表的宽光谱光源由于具有短相干长度的特点使得两光束只有在光程差极小的情况下才能发生干涉，因此不会产生干扰条纹。同时，由于白光干涉产生的干涉条纹具有明显的零光程差位置，避免了干涉级次不确定的问题，可以解决单色光源干涉测量时带来的杂光干扰的问题。因此白光干涉在干涉测量领域中的发展日益迅速。
[0004]然而普通的白光干涉仪主要是通过薄膜上下表面的反射光形成干涉，因此必须要求薄膜是透明的，极大地限制了其应用范围，而且成本较高，不利于大规模应用。对于非透明的金属薄膜，目前普遍采用的方法是串联差分法。题目为‘基于白光干涉的金属极薄带测厚理论与系统研究’、作者为杜艳丽的浙江大学博士学位论文，文中叙述到采用串联差分白光干涉系统来测量不透明的金属薄膜厚度。该系统利用光源发出的宽谱白光经传光光纤的传输，入射到Michelson干涉仪I，经立方分束棱镜BS ;分出的两束相干光分别由反射镜MI和薄膜上表面反射回来形成第一次干涉。然后干涉光再经过传输光纤进入Michelson干涉仪11，同样，经立方分束棱镜BS:分出的两束相干光由反射镜MZ和薄膜下表面反射回来形成第二次干涉，最后由光谱接收系统实时接收记录相干光的光谱数据，从而得到光强相对波长的分布信息，该数据信息最终被送入计算机进行数据处理，分析运算，可以求得金属薄膜厚度。此系统可以实现不透明薄膜的厚度测量，但是该方法需要用到两组迈克尔逊干涉仪，成本太高，方法复杂，实现起来比较困难。
【发明内容】
[0005]为了克服上述已有技术中存在的缺陷和不足，以实现透明与不透明薄膜的厚度测量，本发明提出了一种利用光纤准直器将激光器输出的光垂直打到反射镜面，从而在准直器端面和反射镜面中间形成法珀腔，使准直器下表面反射的光与反射镜面反射的光形成干涉的系统，即一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统。
[0006]本发明的技术方案是按以下形式实现的:
[0007]—种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统，包括ASE光源、波长解调仪、1*2耦合器、计算机、光纤准直器和法珀腔干涉平台，其特征在于1*2耦合器的I号端口接ASE光源；1*2耦合器的2号端口接波长解调仪，波长解调仪与计算机相连；1*2耦合器的3号端口接光纤准直器，光纤准直器固定在法珀腔干涉平台上；法珀腔干涉平台包括反射镜，防震平台、两根支撑杆和两根固定杆，右支撑杆固定在防震平台的边沿上且与防震平台相垂直，两根固定杆一端带有固定夹，另一端带有套筒，套筒套在右支撑杆上并能沿右支撑杆上下移动，固定杆的套筒上带有紧固螺丝，通过紧固螺丝能将固定杆固定在右支撑杆上；光纤准直器由上固定杆上的固定夹固定，并由上固定杆将其固定在法珀腔干涉平台的右支撑杆上，反射镜由下固定杆上的固定夹固定，并由下固定杆将其固定在法珀腔干涉平台的右支撑杆上；防震平台上放置中间有通透圆孔的长方体形的铁制压块，压块上的圆孔和其上端固定在两固定杆上的光纤准直器及反射镜处于同一垂直线上，压块与反射镜通过一个左支撑杆相连，使得压块与左支撑杆和反射镜能整体垂直移动，反射镜水平放置，抬起压块，即可将薄膜放入压块与防震平台的中间，由于光纤准直器下表面到防震台上表面的距离固定，加入薄膜使得反射镜面与光纤准直器的距离(即为法珀腔腔长)减小，进而改变法珀腔的腔长。
[0008]所述的ASE光源为1520-1570nm宽光谱光源，输出功率为15mw。
[0009]所述的波长解调仪为Bayspec公司生产的，波长精度为30pm，光谱解调精度为
0.lnm。
[0010]所述的光纤准直器为中心波长为1550nm,工作距离为50mm,最大回波损耗为50db。
[0011]所述的反射镜面为全反镜面。
[0012]一种利用上述系统进行薄膜厚度测量的方法，步骤如下:
[0013]I)连接系统，ASE光源输出端口连接1*2耦合器的I号端口 ；1*2耦合器的2号端口连接波长解调仪，波长解调仪与计算机相连；1*2耦合器的3号端口连接光纤准直器；
[0014]2)开启系统，打开光源和解调的按钮，上下调整套筒的位置，使得由ASE光源输出的光经光纤准直器一部分垂直入射到反射镜面；
[0015]3)入射到反射镜面再经反射镜面反射回光纤准直器的光，与另一部分直接由光纤准直器下端面反射回去两束反射光在光纤准直器内形成干涉光，其光强可以表示为:
[0016]
【权利要求】
1.一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统，包括ASE光源、波长解调仪、1*2耦合器、计算机、光纤准直器和法珀腔干涉平台，其特征在于1*2耦合器的I号端口接ASE光源；1*2耦合器的2号端口接波长解调仪，波长解调仪与计算机相连；1*2耦合器的3号端口接光纤准直器，光纤准直器固定在法珀腔干涉平台上；法珀腔干涉平台包括反射镜，防震平台、两根支撑杆和两根固定杆，右支撑杆固定在防震平台的边沿上且与防震平台相垂直，两根固定杆一端带有固定夹，另一端带有套筒，套筒套在右支撑杆上并能沿右支撑杆上下移动，固定杆的套筒上带有紧固螺丝，通过紧固螺丝能将固定杆固定在右支撑杆上；光纤准直器由上固定杆上的固定夹固定，并由上固定杆将其固定在法珀腔干涉平台的右支撑杆上，反射镜由下固定杆上的固定夹固定，并由下固定杆将其固定在法珀腔干涉平台的右支撑杆上；防震平台上放置中间有通透圆孔的长方体形的铁制压块，压块上的圆孔和其上端固定在两固定杆上的光纤准直器及反射镜处于同一垂直线上，压块与反射镜通过一个左支撑杆相连，使得压块与左支撑杆和反射镜能整体垂直移动，反射镜水平放置，抬起压块，即可将薄膜放入压块与防震平台的中间。
2.如权利要求1所述的一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统，其特征在于所述的ASE光源为1520-1570nm宽光谱光源，输出功率为15mw。
3.如权利要求1所述的一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统，其特征在于所述的波长解调仪为Bayspec公司生产的,波长精度为30pm,光谱解调精度为0.lnm。
4.如权利要求1所述的一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统，其特征在于所述的光纤准直器为中心波长为1550nm,工作距离为50mm,最大回波损耗为50db。
5.如权利要求1所述的一种宽光谱光干涉法测量薄膜厚度的系统，其特征在于所述的反射镜面为全反镜 面。
6.一种利用权利要求1所述测量薄膜厚度的系统进行薄膜厚度测量的方法，步骤如下: 1)连接系统，ASE光源输出端口连接1*2耦合器的I号端口；1*2耦合器的2号端口连接波长解调仪，波长解调仪与计算机相连；1*2耦合器的3号端口连接光纤准直器； 2)开启系统，打开光源和解调的按钮，上下调整套筒的位置，使得由ASE光源输出的光经光纤准直器一部分垂直入射到反射镜面； 3)入射到反射镜面再经反射镜面反射回光纤准直器的光，与另一部分直接由光纤准直器下端面反射回去两束反射光在光纤准直器内形成干涉光，其光强可以表示为: /r =2i?[l-cos(—L)]/0(I)
λ 式中R为法珀腔反射率，λ为波长，L为法珀腔腔长，10为ASE光源输出的光强，η为空气折射率； 4)当法拍腔腔长L和波长λ满足关系:L= (― + ~)\,时，光强Ir(X)取得极大值，
In 4/7当h= 时，光强U λ )取得极小值，其中m表示干涉级次；当法珀腔腔长一定时系统输出光强随波长的分布呈近似余弦分布；若干涉条纹的第m级和第m+q(q= 1，2，3、、、)级极大值对应的波长分别为Xm，Xm+(1，则由以上分析可知:
【文档编号】G01B11/06GK104034272SQ201410290494
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】贾传武, 常军, 姜浩, 王宗良, 王强, 田长彬 申请人:山东大学