激光干涉仪与纳米精度检测

　　1　引　言

　　信息技术和MEMS技术的迅速发展,特别是MEMS技术的发展,对纳米精度的检测技术提出了越来越高的要求.如两垂直方向的微位移可转换成微齿轮的转动、微镜的转动、微杆的滑动、微活塞的往复运动等.作为单元动作,它们的结合可以完成一个微系统比较复杂的操作.此操作的准确实现基于最初两微位移的精确控制,而微位移的精确控制的前提是它们的高精度检测.同样,微变形、微振动、微结构表面形貌等的纳米精度检测在微加工、微制造等领域也起着非常重要的作用.激光干涉检测技术由于其高灵敏度、高精度及非接触性等特点已得到广泛应用.而随着相关技术的发展新的激光干涉检测技术又不断地被研究、开发.本文对几种常见的纳米精度干涉测量技术进行综述,之后介绍上海光机所的相关工作.

　　2　传统的纳米精度激光干涉仪

　　干涉测量是通过测量参考光与物体光的光程差而得到被测量物体的大小.以面型测量为例,将来自相干光源的光束一分为二分别照射到参考镜与被测物体上,反射的参考光与物体光会聚干涉产生的干涉条纹反映了被测物体表面的高低分布.物体表面的高低差每变化1/4波长干涉条纹有一个明暗变化,因此根据干涉条纹的强度分布可以以1/4波长的精度测量被测物体的表面形状.当物体表面的高低差小于1/4波长时,条纹的明暗变化变小,与物体表面反射率的不均匀性等产生的空间强度分布不容易区分,因此仅根据干涉条纹的明暗变化来正确测量1/4波长以下的物体表面的高低分布是困难的.一些光学表面的加工精度要求纳米量级,这样的表面的粗糙度简单地根据干涉条纹的明暗变化是测量不了的.

　　为了得到小于1/4波长的测量精度,调制光频或相位的高精度激光干涉测量方法陆续问世.20世纪60年代,随着频率稳定度高的气体激光器的出现,干涉条纹变得容易观测,作为可以精确求得干涉条纹相位的方法,外差干涉法开始被提出.外差干涉是使物体光与参照光频率产生一个微小频差Δω,使得干涉信号成为Δω频率为的正弦信号.通过检测不同点此正弦信号的相位差即可测得被测物体的表面形状.测量分辨率可达到λ/100量级.由于是将干涉条纹的相位转换成正弦信号的相位进行测量,因此消除了物体表面反射率分布的不均匀产生的干涉条纹强度变化的影响.光外差干涉法最初由Crane于1969年提出[1].他使用固定与旋转的λ/4波片构成的移频器给参照光一个60Hz的频移,精确测量了大尺寸反射镜的面型.之后Dentino、Sommargren等也报告了他们基于同样原理的工作. Massie等提出的光外差干涉仪中移频器使用了声光调制器.

　　1974年Bruning等使用压电陶瓷(PZT)阶跃移动参考反射镜,提出了阶跃调制参考光相位的移相干涉法[2].移相法是另一种常用的纳米精度干涉测量方法.将干涉信号傅里叶展开,根据不同PZT位移下的干涉信号求得展开式系数,被测面的相位分布由展开式系数计算得到.由于此方法是将干涉信号数字化后进行处理,因此也称为数字干涉法.移相干涉法需要精确地给出相移量.由于用于移相的PZT的非线性等会产生相移量误差.因此需要考虑误差补偿措施.1986年日本的佐佐木提出了正弦相位调制干涉测量方法[3],此方法使用PZT振动参考反射镜实现参考光束的正弦相位调制.被测面的相位分布通过对干涉信号进行频谱分析或采用inte-grating-bucket方法求出.