双频激光合成波长干涉仪的精确定位方法研究

　　1　引　　言

　　纳米测量学是纳米科学技术的基础学科之一,它的内涵涉及纳米尺度的评价、成分、微细结构和物性的纳米尺度的测量。正是由于1982年扫描隧道显 微镜[1]和1986年原子力显微镜[2]的先后发明,人类才第一次实现了可观察、测量、传感物体纳米尺度的位移、形貌或作用力的理想,开创了包括纳米物 理学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米测量学和纳米生物学等纳米科学技术的全新领域,由此可见纳米测量学在纳米科学技术中的基础地位。

　　分析当前各种纳米测量方法可知,虽然有不同的纳米测量方法及仪器相继出现[3～7],但对纳米测量的研究往往只论述和侧重于提高测量精度单一方 面,很少同时兼顾高精度和大范围测量两项参数,这是由于现有每种纳米测量方法均存在不能同时实现高测量精度和大测量范围这一矛盾。而在实际应用中,往往对 纳米测量技术提出既要测量范围大又要达到纳米级测量精度的要求。例如,微机电技术中微纳米零部件的制造与检测;集成电路芯片表面形貌的测量,以及集成电路 芯片制造过程中工作台纳米精度的大范围运动等,所有这些,无不均要求在进行大范围测量的同时保证纳米级的高测量精度。

　　本文提出一种新的实现超高精度、大测量范围的双频激光合成波长干涉仪,运用双波长产生合成波长对干涉条纹进行细分,易于实现亚纳米级的测量分辨 率和精度,结合整数干涉条纹计数,实现了大范围测量。本文主要针对双频激光合成波长干涉仪在实际测量时的特点,提出一种新的粗精定位相结合的干涉信号同相 位测量方法,实现对不同频率干涉信号的同相位检测,并进行相关实验验证。

　　2　双频激光合成波长干涉仪原理

　　双频激光合成波长干涉仪的结构如图1所示,有两个同光路的干涉仪:M1、BS和PBS组成对波长λ1的干涉仪,称之为参考干涉仪;M1、BS和M2形成对波长λ2的干涉仪,称之为测量干涉仪。

　　波长λ1只在参考干涉仪中进行干涉,探测器D1上接收其干涉信号,干涉信号的相位差为:

　　波长λ2在测量干涉仪中进行干涉,探测器D2上接收其干涉信号,干涉信号的相位差为:

　　当测量镜M2有微小的位移,引入的光程变化为Δl(纳米量级)时,则两路干涉信号的相位差变为:

　　为了得到测量镜的位移Δl,可以将图1中参考镜M1移动ΔL使Δφ′回到Δφ(例如,使Δφ′=Δφ≡0),即使L→L+ΔL,则Δφ′→Δφ。由公式(3)和(4)得到: