一种利用合成波长法实现的纳米测量方法

　　1　引　言

　　从20世纪80年代起,纳米科学开始作为一门独立的学科被单独提出,它涉及到物理、化学、生物等方面。为了适应对微观领域的研究,出现了以扫描探针显微镜为代表的观测手段,但是随着研究的深入仅有观测手段是远远不够的,必须对扫描探针显微镜进行标定,也就是说要能够实现在微小尺寸上的定量测量,这是计量学中一个十分迫切和现实的任务[1]。另一方面,随着半导体、超精密加工等工业的发展也都需要高精度的测量仪器。从总体上讲,这些仪器的精度要求从亚微米一直延伸到纳米甚至更小的量级。

　　从1984年“米”被定义为光波在真空中在1/299792458s的时间经过的长度以来,由于光波可以直接溯源到米来定义,所以光学测量方法展现出新的生机。其中光学干涉测量术是实现高精度长度测量的一种有力的方法,受到人们越来越多的研究。但是在利用光学干涉测量方法进行纳米测量的过程中必须着力解决两个主要的问题:系统的稳定性和干涉信号的处理方法[2～6]。前者受光学系统、机械系统和电子系统的稳定性、环境因素的影响等等。后者主要是对各种干涉方案和信号处理的研究:例如,在外差干涉方法中,位移信号被转化为干涉光电信号的频率变化;偏振干涉中则被转化为偏振态或者光强的变化;在多波长方案中则是转化为多个单波长干涉信号的变化。在信号处理中,多种测量方法都要求对干涉信号相位进行精确测量。以外差干涉方案为例,提高干涉信号差频的频率可以相应地提高系统的测量精度,然而由于在MHz的范围直接实现优于10-4以上的相位测量是比较困难的,因此这也是干涉信号处理中的一个研究方面。

　　本文提出了一种利用合成波长法实现纳米测量的方案。它采用普通的0.6328μm He-Ne热稳频双纵模激光器作为光源,该激光器能够输出频差为1000MHz、偏振态正交的等光强双纵模,其合成波长为300mm。这种方案的优点是:利用合成波长相对于单波长的巨大的比例系数和它们干涉条纹之间的关系能够实现对测量镜纳米位移的测量;可以通过共光路等方法极大的减小外界因素的影响;可以通过条纹锁定等方法避免高精度的相位测量。本文还给出了初步的设计方案和实验结果。

　　2　测量原理

　　本文的纳米测量方案是基于对合成波长干涉法的进一步研究,为此有必要先简单介绍合成波长干涉法在大范围(几米到几十米)测量中的原理。对大的被测距离来说,限制干涉型方法应用的一个因素是光波的波长太短,常常要进行以百万计的干涉条纹计数,任何干扰因素都可能引入比较大的测量误差。多波长干涉测量方案则是一种非常有潜力的解决方案。它是利用多个单波长形成几十到几百毫米的合成波长,再用这把大“尺子”来进行测量。以双波长系统为例,对同一的被测长度L有如下表达式: