高精度控制光电光栅刻划机的光栅外差干涉仪

引　言

衍射光栅是光谱仪器的核心器件。近年来,虽然全息法制作光栅得到了广泛的应用,但对于红外光栅、中阶梯光栅等特殊光栅,必须采用机械刻划的方式来制作。目前,中阶梯光栅和变栅距光栅成为了分析仪器领域关注的热点,但制作难度大是亟待解决的问题。以刻线密度79line/mm的中阶梯光栅为例,闪耀角为63. 3°,波长范围180nm~800nm,它的使用级次为28~125,这就相当于常规机刻光栅在一级使用时刻线密度要达到4000line/mm~5000line/mm,甚至更高。这对光栅刻划机而言是一种挑战。

早期的光栅刻划机已经不可能进行如此高要求的光栅刻划。对光栅刻划机而言,除机械本身的精度之外,控制精度也是非常重要的。国外,如美国Optimerix公司的第1代分步重复刻划机是就是用激光定位的[1]。但是激光干涉仪[1-2]以波长为计量单位,要求的环境条件太苛刻。典型要求包括温度控制到±0. 05℃,对温度和气压变化要连续补偿,且在光路中要没有空气扰动[3]。

国内,自上世纪80年代以来采用光栅干涉仪[1, 4]来控制光电式刻划机。这种传统的光栅干涉仪采用普通光源照明,接收干涉条纹的振幅信息,它的结构简单、造价低廉、调整方便,使刻划机光电控制系统简化[5-7]。利用光强度信号虽然具有较高的测试精度,但干涉场中放置光电探测器的个数和它们之间的相位关系,要经过严格的计算,有很大的局限性;普通光源的频谱很宽,不同级次的衍射光互相干涉,会产生不同频率的谐波成分,导致干涉场中的条纹的对比度下降,降低了计量精度。因此,对高性能的光电式刻划系统进行研究具有重要的现实意义。

鉴于阶梯光栅、变栅距光栅和宽波段中红外光栅等对刻划机的高精度要求,笔者提出一种自准直式激光光栅外差干涉仪,用于提高光电式光栅刻划机的控制精度。该系统把干涉测量基准由光波转换为光栅常数,而仍应用光拍频的细分方法,利用光栅的对称级次的衍射光形成干涉,构成等光程干涉仪,提高了系统的稳定性;激光双频起了调制作用,可以采用交流放大器来避免直流漂移等问题。本文中通过对自准直式激光光栅外差干涉仪原理和实验分析,得出此系统具有纳米级分辨力,用于实时测量控制系统,计量误差很小,完全达到了中阶梯光栅等特种光栅对刻划机的高精度分度要求。

1　光栅外差干涉仪的设计

1. 1　系统分析

自准直式激光光栅外差干涉仪的原理结构见图1。

纵向塞曼He-Ne激光器[2]输出两频率(f1,f2)的左旋和右旋圆偏振光,经过λ/4波片变成振动方向垂直的两束线偏振光。线偏振光入射到分束器(beamsplitter,BS)上被分为两部分:一部分光被反射,作为干涉仪的参考信号;另一部分透过BS,再经一系列元件得到系统的测量信号。最后两路信号通过锁相倍频后输入减法器,实现两组连续脉冲的相减,得到计量信号。参考光路:含有频率f1,f2的反射光束入射到检偏器上,检偏器的主截面方向要与两正交的线偏振光的振动方向各成45°。根据马吕斯定律,这两束正交的线偏振光在检偏器主截面上的分量产生拍频,它等于激光所产生的两个光频的差值即f1-f2。设参考光路中两频率光的波动方程为: