双折射晶体厚度干涉测量技术的研究

引　言

晶体在光学领域已得到广泛的应用[1-7],但在实际应用中需要确定晶体光轴方向厚度,这就需要精确测量出晶体的厚度。其常用的方法有机械方法、电学法、光学法。机械方法有螺旋测微仪法、探针法等[8],这类方法简单直观,是一种接触式的厚度测量方法,但因接触对其光学表面易造成不必要的损伤,而影响器件的正常使用。利用晶体振荡测量晶体厚度的电学方法[9],对晶体的起振性能要求高,不适用于起振性能较差的晶体,必须通过与已知高起振性能的晶体进行比较才能确定其厚度,其测量过程复杂且容易产生转移误差。光学测量方法是一种非接触式的测量方法,有光谱法、旋光特性法等[10-11]。光谱法是一种典型的光学方法,通过对待测晶体构成的光学系统输出光谱进行分析匹配,经过数次迭代后计算出晶体的实际厚度,其算法复杂,测量时间相对较长。旋光特性法利用石英器件的旋光特性测量出石英晶体光轴方向厚度,这种方法简便易行,是一种具有实用价值的测量方法,但测量精度低。为克服以上的缺点且可高精度测量晶体厚度,作者提出一种基于双折射晶体的晶体厚度测量方法———双折射法。该方法是一种典型的干涉测量方法,通过对待测晶体构成的光学系统输出的双折射光束的干涉信号进行分析得到其厚度,不仅测量方法简单,且测量精度也较传统的测量方法高,有较高的实用价值。

1　干涉测量原理

双折射晶体厚度干涉测量仪的原理图如图1所示。He-Ne激光器出射的光经空间滤波器、准直透镜、分束器(polarization beam splitter, PBS)、L1,λ/4波片Q1入射到被测量晶体,再入射到石英双折射晶体(剪切发生器shearing generator, SG),由SG分为两束平行光,此二束光通过λ/4波片Q2和偏振片P1,在重叠区发生偏振剪切干涉。相位检测器(phase detector,PD)将干涉信号转换成电信号,通过图像采集卡送入计算机获得被晶体的厚度。

    图2为光照射石英双折射晶体时的分光示意图。设激光照射到待测量晶体SG的光波为:

由上式可得到待测量双折射晶体的厚度h。由(6)式可知,相位α的主值区间在[0, 2π],其测量精度达纳米量级,但测量范围为毫米量级,实际应用中要求测量范围达到厘米量级。为了扩大测量范围,将测量分成粗测与精确测量两步。所谓粗测是指已知双折射晶体的大约高度或用精度较低的方法测得的双折射晶体厚度,此厚度用hc来表示,则有:

式中,N为整数。

所谓精确测量是指用本文中的方法测量出待测量双折射晶体厚度小于一个波长的部分。则待测双折射晶体的厚度可表示为: