一种基于相干可控激光的多表面形貌测试方法

本发明属于干涉仪光源技术，具体涉及一种基于相干可控激光的多表面形貌测试方法。

背景技术：

1、随着天文观测、光刻机、激光核聚变等高精尖技术领域的快速发展，大口径高精度平行平板、硅晶圆、icf靶球等多表面干涉元件的应用越来越广泛，这些多表面干涉元件的面形偏差对应用效果有重要影响，也对其形貌检测提出了新的要求。多表面干涉元件的形貌在使用he-ne激光等长相干光源干涉测量时，其前后表面反射光均发生干涉，干涉条纹图中存在着多组干涉条纹，导致无法正常解算出多表面形貌信息。

2、常见的多表面形貌测试方法包括：①采用波长调谐激光器波长扫描干涉测量，可将多表面干涉信息分离从而解算出多表面形貌信息，但此方法受限于激光器波长调谐范围仅可测量毫米级厚度的多表面干涉元件形貌，无法满足硅晶圆等元件的测量需求；②白光扫描干涉法，可实现薄层多表面干涉元件0.1nm级高精度的形貌检测，但其光源亮度低，视场小，干涉条纹定位困难，仅适用于微观形貌检测；③短相干干涉测量法，利用相干长度较短的光源，可避免多表面干涉条纹串扰，可精确测量多表面干涉元件的表面形貌，中国科学院张文喜等人，采用频率700mhz的电流调制半导体激光器，获得了相干长度80μm的短相干光源；上海电力大学的初凤红等人，通过研究激光器斜率效率、偏置电流、射频信号频率和幅值对ld相干长度的影响，采用950mhz、幅值19dbm的电流调制半导体激光器，获得了相干长度90μm的短相干光源，提高了干涉条纹对比度。但短相干光源相干长度低至数百甚至数十微米时，被测件仅在极短距离内能产生干涉条纹，同时受限于调节光程位移装置的调节步进及精度误差，条纹定位难度大。

3、针对短相干干涉测量中干涉条纹定位难度大的问题，使用相干长度可控的激光光源，扩大干涉条纹存在范围找到干涉条纹，并逐步缩短想干长度，缩小干涉条纹搜索范围，实现零光程差位置的快速精准定位；此外，现有短相干光源方案存在着干涉旁瓣多，旁瓣抑制比低的问题，影响干涉包络主峰的寻找，宽带白噪声电流调制半导体激光器旁瓣抑制比高，可减小干涉旁瓣对零光程差位置定位和干涉测量的影响。本发明提出一种基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，可适配不同结构干涉仪完成多表面干涉元件表面形貌的干涉测量，采用可调射频衰减器和宽带白噪声源，解决零光程差位置难定位和干涉旁瓣抑制两大关键问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，操作简单、装置集成度高、可以快速定位零光程差位置。

2、本发明的技术解决方案为：一种基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，步骤如下：

3、步骤1、将相干可控激光光源与干涉仪通过光纤接头连接，转入步骤2。

4、其中，相干可控激光光源包括依次连接的宽带白噪声源、第一射频连接线、滤波器、第二射频连接线、可调射频衰减器、第三射频连接线、射频放大器、第四射频连接线、偏置器模块、第五射频连接线、半导体激光器、保偏光纤；还包括通过导线连接在偏置器模块上的直流驱动电源；保偏光纤通过光纤接头连接干涉仪。

5、步骤2、将多表面干涉元件置于干涉仪内的测试光路中，控制干涉腔长使测试光路光程大于参考光路1～3cm，转入步骤3。

6、步骤3、开启直流驱动电源，半导体激光器输出长相干激光，观察干涉仪中的偏振相机接收到多表面干涉条纹，调节多表面干涉元件俯仰、倾斜姿态，使其对应的两组干涉条纹显示清晰，转入步骤4。

7、步骤4、先开启宽带白噪声源，再开启射频放大器，逐步减小可调射频衰减器的衰减量，观察干涉仪中偏振相机接收的灰度图像干涉条纹的存在情况，并在此过程中向干涉仪12的测试光路光程减小方向前后移动多表面干涉元件，使偏振相机接收图像中存在干涉条纹，并继续减小可调射频衰减器的衰减量，相干可控激光光源的相干长度随可调射频衰减器的衰减量减小而缩短，当相干可控激光光源的相干长度低于多表面干涉元件厚度时，光源表现为短相干光源，此时多表面干涉元件上的多组干涉条纹串扰消失，转入步骤5。

8、步骤5、重复步骤4，直到可调射频衰减器的衰减量达到最小时，进一步调节多表面干涉元件的前后位置，使偏振相机接收图像中干涉条纹存在且对比度最佳，即多表面干涉元件前表面达到干涉仪的零光程差位置，通过干涉仪中的偏振相机采集当前的干涉条纹图，通过四步移相算法解算获得多表面干涉元件前表面的表面形貌，转入步骤6。

9、步骤6、继续向干涉仪的测试光路光程减小方向移动多表面干涉元件，偏振相机接收图像中干涉条纹对比度再次最佳时，多表面干涉元件后表面达到干涉仪的零光程差位置，通过干涉仪中的偏振相机采集当前的干涉条纹图，通过四步移相算法解算获得多表面干涉元件后表面的表面形貌。

10、本发明与现有技术相比，其显著优势在于：

11、(1)相干可控激光光源的相干长度可控，通过控制相干长度缩短，逐步减小干涉条纹存在区间，缩小干涉仪零光程差位置的搜索范围，最终将干涉条纹存在区间控制在数百微米内，将待测多表面干涉元件前后表面定位到干涉仪零光程差位置，并避免多表面干涉条纹串扰对测量结果的影响。

12、(2)相干可控激光光源采用电流直接调制，无需电光相位调制器等价格昂贵的相位调制器件，装置成本低，鲁棒性好。

13、(3)相干可控激光光源采用宽带白噪声信号电流调制，输出稳定性高，干涉包络旁瓣少，旁瓣抑制比高，测量准确率高。

14、(4)相干可控激光光源使用fp腔多模半导体激光器耦合保偏光纤输出，输出功率高，空间相干性好，可用于低反射率和大口径光学元件的波像差瞬态检测。

15、(5)测试过程操作简单，调节方便。

技术特征：

1.一种基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，其特征在于：在相干可控激光光源中，宽带白噪声源(1)通过第一射频连接线(2-1)与滤波器(3)连接，再经第二射频连接线(2-2)、可调射频衰减器(4)、第三射频连接线(2-3)与射频放大器(5)的输入端连接，射频放大器(5)的输出端通过第四射频连接线(2-4)与偏置器模块(6)的交流输入端连接，直流驱动电源(8)通过导线(7)与偏置器模块(6)的直流输入端连接，直流信号和交流信号经偏置器模块(6)叠加后经第五射频连接线(2-5)输入到半导体激光器(9)，半导体激光器(9)通过保偏光纤(10)与光纤接头(11)连接；

3.根据权利要求2所述基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，其特征在于：相干可控激光光源中的半导体激光器(9)为fp腔半导体激光器，直流电源下多纵模输出，在宽带白噪声电流作用下，输出光谱强度及相位受噪声电流调制产生光谱展宽，展宽效果与宽带白噪声强度成正相关。

4.根据权利要求3所述的基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，其特征在于：相干可控激光光源中的宽带白噪声源(1)通过射频电路直接产生宽带白噪声，或通过光电探测器采集放大的自发辐射ase光信号，并转换为电信号，从而获得高斯白噪声信号。

5.根据权利要求3所述的基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，其特征在于：相干可控激光光源中的可调射频衰减器(4)通过单片机控制衰减量，衰减量越小，进入射频放大器(5)的宽带白噪声信号强度越高，半导体激光器(9)输出光谱展宽越宽，相干可控激光光源的相干长度越短。

6.根据权利要求3所述的基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，其特征在于：相干可控激光光源中的直流驱动电源(8)设置电流低于半导体激光器(9)电流-功率曲线线性区中心位置电流，高于半导体激光器(9)阈值电流，偏置电流过高会降低光谱展宽宽度，过低会导致输出光功率低。

7.根据权利要求3所述的基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，其特征在于：相干可控激光光源中的偏置器模块(6)采用biastee电路，将直流信号和宽带白噪声信号叠加，施加到半导体激光器(9)上，并分别对直流信号端阻交流，对交流信号端隔直流，避免信号串扰烧毁器件。

8.根据权利要求1所述的基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，其特征在于：干涉仪(12)采用泰曼格林型或斐索型动态干涉仪，多表面干涉元件(13)为平行平板类元件，在氦氖激光等光源的长相干干涉仪中前后表面均发生干涉导致存在多组干涉条纹。

技术总结
本发明公开了一种基于相干可控激光的多表面形貌测试方法，使用宽带白噪声源、滤波器、可调射频衰减器、射频放大器、直流驱动电源、偏置器模块和半导体激光器构成相干可控激光光源；针对平行平板类光学元件多表面干涉特性，使用宽带白噪声电流调制半导体激光器获得高旁瓣抑制比的短相干光，避免多表面干涉条纹串扰；使用可调射频衰减器调节白噪声信号强度，实现自长相干到短相干的相干长度可控，逐步缩短干涉条纹存在区间，快速定位干涉测量零光程差位置，完成多表面干涉元件形貌的测量。与现有方法相比，本发明提出的方法在增加了零光程差位置定位速度的同时，提高了多表面形貌测试的测量精度、装置集成度和简易性，更适宜于产业化。

技术研发人员：李俊博,陈佳乐,韩志刚,朱日宏,李方欣,赵鑫洋,芮九多,杨振营
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13