纳米级二维激光外差干涉仪的设计

　　引　言

　　扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)已在纳米测量中得到越来越广泛的应用。但要用它们作为计量标准仪器必须用激光干涉位移测量技术进行纳米级标定。激光外差干涉测量技术作为纳米计量技术之一与STM/AFM的有力结合将得到计量意义上准确的测量,这就是分子测量机M3[1]或计量型STM/AFM[2]。

　　本文所涉及的二维激光外差干涉仪就是为STM/AFM纳米级二维扫描微位移工件台而设计的。50μm测量范围内,2nm的不确定度、0.5nm的分辨率。

　　1　二维激光外差干涉仪光学设计

　　外差干涉测量的特点是利用载波技术将被测物理量的信息转换成调频或调相信号,从而提高光电信号的信噪比,实现高分辨率测量。外差干涉信号处理方法主要有(1)多普勒频移量解调法:基于多普勒频移的锁相环电子倍频细分技术从干涉仪中被测量发生变化时引起的光频多普勒频移中解调出位移量大小,需干涉仪的测量臂中测量镜在沿测量光轴方向发生相对运动而使光频产生多普勒频移:(2)相位解调法:基于直接相位检测技术检测出外差干涉仪的被测量发生变化时引起的外差干涉信号的参考信号和测量信号的相位变化量从而解调出位移量大小。由于在纳米测量中被测位移量(如纳米级压电陶瓷微位移工作台的位移量)都是纳米级步距,基本可看成是静态的,所以采用相位解调法对外差信号处理。现有的光学频移器件实现外差干涉其光学干涉系统用于一维外差测量已是十分复杂了[3]。要实现二维外差测量最简单的光学系统是二维偏振干涉光学系统,光源必须是象以美国HP公司为代表的用塞曼分裂He-Ne激光器作为光源的双频正交偏振激光测量系统。但塞曼分裂He-Ne激光器的双频频差一般是1.8～2.0MHz左右,用于纳米测量的直接相位检测技术也是不合适的。所以提出一种实现频差小的双频正交偏振激光系统的方法。方案如图1所示。

　　由稳频单模He-Ne激光器发出的激光束先经过1/2波片。图中偏振分光镜PBS的作用是将振动方向与垂直方向成α角的入射偏振光(α角的大小可通过1/2波片绕光轴的旋转来调节)分解成垂直于纸面和平行于纸面的两个偏振分量,根据马吕斯定律,其光强分别为

　　其振动频率仍是f。IV经驱动频率为f1的声光调制器AOM1衍射后振动频率将产生f1的频移,即为f+f1。IH经过驱动频率为f2的声光调制器AOM2衍射后振动频率将产生f2的频移,即为f+f2。两束偏振光经过一块50%的分光镜BS后各分为两束光IV1和IV2、IH1和IH2。IV1与IH1、IV2与IH2皆是频差为f1-f2、振动方向垂直正交的两束线偏振光。一路经检偏器P和光电接收器DR作为参考信号,另一路去外差干涉仪。控制两声光调制器的频率使频差f1-f2小于200kHz,则实现了光源系统的预定目标。