光栅多普勒纳米干涉仪

　　21世纪对纳米测量有广泛的需求。例如在微电子领域,1999年典型线宽180 nm,2006年典型线宽100 nm,2009年典型线宽70 nm。定位精度应为线宽的1/3～1/4。在生物领域DNA的尺度在2～3 nm。

　　纳米测量是对计量学的挑战,要求应用层面上的激光稳频达到10-9,在半个波长内的细分均匀性(非线性误差)计入误差,对环境控制的要求又不能过于苛刻。研究表明,横向塞曼激光是一种理想的光源,差动双频外差干涉仪的非线性误差只有2 nm[1]。但是,干涉仪测长必然有光程差的变化,而光程差的变化必然导致难以消除的折射率漂移和热漂移。当前光栅干涉仪受到广泛注意,采用栅距1μm的正弦光栅、通过线性内插细分使分辨率达10 nm,非线性误差为50 nm的系统已见报道[2]。

　　本文研究的光栅多普勒纳米干涉仪采用横向塞曼激光作光源,实现光学8细分,采用相位测量具有纳米分辨率,它可以选择与工件膨胀系数相近的玻璃材料制作光栅,特别是光栅运动过程中不引起干涉仪臂长的变化。这些优点恰好符合纳米测量和定位在稳定性方面的需要。文中分析了光栅退偏效应的影响、光学8细分的等分性和1/8间距内的非线性误差,给出了实验标定的结果。

　　1　Dammann光栅干涉仪系统原理

　　如图1,将Dammann光栅[3]8(50线/mm,栅距d=20μm),平面反射镜11分别置于凸透镜9(焦距为100 mm)的两个共轭焦平面上。处于横向磁场下的He-Ne激光器1由于横向塞曼效应输出一对具有一定频差(约为330 kHz)的正交线偏振光,经过Dammann光栅衍射分束,保留±1级主极大衍射光,通过凸透镜会聚成平行光束,投射到平面镜上并由之反射返回,再经过凸透镜由Dammann光栅合光。

　　在+1级衍射光路中放置快轴与偏振方向成45°的λ/4波片10实现偏振态互换,与-1级衍射光形成外差信号。混合光束经偏振棱镜PBS4偏振分光,分别被光电接收器5和6接收后形成参考信号和测量信号,通过对二者比相实现纳米测量。因为出射光偏离透镜主轴H/2,与返回的光路在高度方向相距H(约10 mm),所以不会产生回授。

　　干涉仪中Dammann光栅的横向平动引起多普勒频移,由此形成光学8倍频的光栅干涉仪系统。将干涉仪的光路部分以平面镜为对称轴作镜面展开,可得s,p偏振各分量的频率变化情况如图2所示,最后由PBS偏振分光可得差频

　　其中,f1,f2为正交偏振光频率;fD为光栅多普勒频移,由光栅方程dsinβ=mλ,m=1可得sinβ为光栅栅距。

　　比相后可得相位差Δ为

　　式中,s为被测位移量;Δ的单位为度。由此可知,本干涉仪系统对光栅多普勒频移产生了8倍的放大作用,有效地提高了测量分辨率和精度。