光学外差法检测超光滑表面粗糙度

　　1　实验系统结构和原理

　　表面粗糙度的测量一直是测量领域中一个重要课题,并且已经发展了许多成熟的检测方法.但对于表面轮廓均方根偏差(RMS)值在几个纳米甚至零点几个纳米以下的超光滑表面,其粗糙度的测量则非常困难,对测量方法的精度和稳定性提出了相当高的要求.通常的方法有全积分散射法(TIS)、触针法(SSI)、电镜干涉显微镜(EMIM)、相衬干涉显微镜和光学外差法等.但SSI会损伤被测基质表面;相衬法只能得到表面粗糙度的轮廓图;TTS采样速度慢,分析复杂,因而它们的应用范围受到限制.光学外差法由于原理简单、测量精度高、速度快且为非接触测量而成为较为成功的超光滑表面粗糙度测量方法[1～3].

　　C.C.Huang[2]提出的外差法测量系统得到了广泛的应用,但系统光路结构复杂,并存在一个根本的缺陷:光路具有可逆性,即从样品表面反射回来的光可以返回激光管,严重时可以使激光管模态恶化而无法正常工作.本文提出的系统测量光路克服了这个缺陷,提高了系统的稳定性.另外,光路输出光束中几乎每一部分都得到了有效利用,光束在光路中改变偏振态,在接收端光束的偏振态同向,干涉信号可见度最大,提高了系统的信噪比.采用两光束同心聚焦扫描方法可实现表面粗糙度的绝对测量.光路结构简单,实用性强,因此可以认为是一个最优化光路.实验表明系统有较好的稳定性和测量精度.

　　1.1　光学外差法原理

　　光学外差法基于Fizeau干涉仪原理,让一束光通过一移频分光装置,得到两束不同频率的光,分别为ω1和ω2,拍频Δω= ω1-ω2 ,Δω在视频范围内(几十kHz到几MHz).两束光照射到被测表面后反射,经偏振片相互干涉由光电探测器接收.设频率为ω1和ω2的光束所走光程分别为z1和z2,在接收端输出信号:

　　其中:a1、a2分别为两束光信号振幅;φ=(ω1z1-ω2z2)/c,为两光束相位差,c为真空中光速.该输出信号作为被测信号进入锁相放大器.令锁相放大器的参考信号

　　可以推出经锁相放大器后,在其他条件不变时,锁相放大器输出信号电压值

　　使两光束在被测表面连续扫描,表面起伏

　　表面起伏引起φ改变,U亦相应改变,采样U并用计算机分析,对应一定的RMS值,即可得到表面的RMS值.

　　1.2　系统结构

　　整个系统框图如图1所示,系统结构见图2.为了得到拍频信号,采用了横向磁场Zeeman激光器,激光器使用石英材料,腔长9 cm,单纵模、单横模输出,输出功率0.5 mW,工作电流2 mA,拍频在70kHz左右.激光器输出包含两个正交线偏振光(P光和S光),频率不同,其差为拍频.