用于减少漂移的纳米定位干涉仪集成系统

　　1　引　言

　　纳米测量的发展要求干涉仪系统对环境具有较强的适应能力,能够长时间连续工作,具有高稳定性和低漂移。但在普通环境中,温度变化会使干涉仪系统产生较大的漂移。比如HP10706B的稳定性指标为40 nm/℃,HP10706A甚至达到500 nm/℃[1]。减少温度漂移通常有两种方法:精密恒温和温度补偿。精密恒温经济代价大,目前虽然可以优于0·01℃,但距离纳米测量要求仍相差甚远。温度补偿由于温度模型的偏差和不可能得到完全一致的温度场分布,因此存在着难以克服的残差。

　　由于温度漂移有如下特点:是相对缓慢的漂移,漂移是累加的。因此,回到“原点”(回零)重新标定干涉仪是检查漂移量和修正漂移的可靠手段。所以需要一个高稳定、高灵敏的亚纳米零位指示器件。现有技术中,隧道扫描显微镜、原子力显微镜可以达到亚纳米分辨率,但由于是接触测量,对环境要求苛刻。光子扫描隧道显微镜是非接触测量且可以达到纳米级纵向分辨率。但是在超精加工环境下使用时,探针容易损坏,这是由于探针太细而且距离表面太近。为此需要一种直径相对较大、距离表面较远的高灵敏探头。

　　表面等离子体共振是指在金属与介质分界面上发生的表面电子气的共振波动现象。在一定条件下,当入射光和表面等离子体波的波矢匹配时,就会发生从入射光到表面等离子体　　(SPW)的能量转移。能量耦合的程度与入射角、各层材料的光学常数及厚度有关。目前,表面等离子体共振(SPR)对于角度、折射率等物理量变化的敏感特性已经广泛应用到角度[2]、位移[3]、生物和化学传感器的设计中,但对于厚度(间隙)的传感应用还十分少见。研究表明[4],在三层Krestchmann结构的SPR器件中,金属层的厚度对于传感器的分辨率、工作范围、光强相位曲线等都有很大影响。在多层结构SPR器件中,中间的气体或液体层的间隙变化同样会导致反射和透射光强的剧烈变化,可以利用这个性质来构建新颖的位置传感器,比如利用四层SPR结构中空气层间隙的变化建立纳米级的定位指零装置[5],可以实现0·1 nm/nV的分辨率和4 nm的重复性标准偏差。把这个装置集成到干涉仪上,在干涉仪测量过程中,如果发生漂移,把干涉仪回到定位零点进行读数校正,就可以减少漂移,提高干涉仪的稳定性和定位精度。

　　2　理论分析

　　如图1,在四层介质棱镜-金属-空气-探头系统中,由p偏振光的Fresnel公式可以推导出如下公式[5,6]

　　其中t1234,t12,t23,t34是指下标所指示的层之间的透射光强,r234,r23,r34是指下标所指示的层之间的反射光强。