本发明专利技术属于形貌测量，尤其涉及低反射率样品的非连续表面微观形貌测量技术领域，其特征在于，包含：单纵模微片激光器，依次放置在其发射端轴线上的透镜和分光镜，依次放置在分光镜反射光路上的透镜和光电探测器，依次放置在其透射光路上的移频器件和共焦光回馈模块；正弦信号发射源，输出端同时和移频器件与参考信号发生电路的输入端相连；信号调理电路，输入端和光电探测器的输出端相连；正交相敏检波器，两个输入端分别和参考信号发生电路及信号调理电路的输出端相连，而输出光功率调制信号的幅度和相位，分别用于确定样品表面上两点高度差的半波长大数和小数。本发明专利技术可同时用于连续表面以及存在大于半波长形貌突变的非连续表面的形貌测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于形貌测量
，特别适用于低反射率样品的非连续表面微观形貌测量。
技术介绍
随着微加工工艺的快速发展，微器件已经成为科研领域的一个研究热点，如MEMS器件和微光学器件研究等；与此相应，微器件的形貌测量仪器目前面临着较大的需求。基于光学干涉相位测量原理的光学形貌测量方法具有可溯源至长度基准和分辨率高的优点，得到广泛应用。但是，过去基于相位测量的光学形貌方法存在一些缺点。传统相位测量方法要求待测样品表面具有一定的反射率和表面平滑度，以达到足够的信噪比，因此低反射率样品的表面形貌测量成为困难；而且，一些透明样品不同层面的杂散反射光会产生干扰信号影响相位测量精度。相位测量方法的测量范围一般都限制半个波长范围内，然而，很多样品表面包含有台阶和微孔等非连续面，当台阶高度或孔深度超过半个光波长时，相位测量方法就不能进行。这些问题都限制了基于相位测量的光学形貌测量方法的应用。1963年，King首次发现当一个外部反射镜将CO2激光器的部分输出光耦合回谐振腔时，反射镜的运动会引起激光器输出功率的调制，类似于传统的双光束干涉现象，即一个条纹移动对应反射镜移动半个激光波长，此即激光回馈现象，也称自混合干涉现象。图1为法国研究人员Eric Lacot等人在Physical Review A第70卷053824页报导的基于微片激光器的光回馈位移测量装置。该系统的工作原理为如图1所示，微片激光器1输出单纵模激光，经过透镜2准直后，投射到分光镜3；经过分光镜3的透射光通过移频器件4后，光频相对于激光器腔内光频(ω)发生偏移，偏移量等于移频器件4的正弦信号发生源8输出的驱动信号频率(Ω/2)，即通过移频器件4后激光频率变为(ω+Ω/2)；此后，激光再经过衰减片12，由透镜2投射到待测物体6上；一部分反射光又沿着原来的光路返回微片激光器1，形成光回馈；由于反射光在返回过程中再次经过移频器件4，因此，返回微片激光器1时激光频率已变化为(ω+Ω)；经过移频Ω的回馈光导致激光器光功率受到调制，调制频率为Ω，相位和回馈外腔腔长相关；微片激光器1的出射光，经过分光镜3反射后通过透镜2会聚到光电探测器7上，得到反映激光功率调制的电信号，再经过信号调理电路10后，形成测量信号。正弦信号发生源8输出的电信号经过参考信号生成电路9后，输出一路频率为Ω、幅度稳定的正弦信号，作为参考信号。将测量信号和参考信号同时送入正交相敏检波器11，即可测量光功率调制信号的相位变化信息，从而得到待测物体的位移。这种基于光回馈相位测量的位移测量方法有两个优点微弱的反射光即可产生一定幅度的功率调制，则待测样品的反射率和表面质量可以很低；外差式相位测量方法可以实现高分辨率的相位测量，实验中位移分辨率优于10nm。但是，上述的光回馈相位测量方法在用于表面形貌测量时同样受到半波长测量范围的限制，因此在测量台阶等非连续表面时受到限制；而且，它在测量低反射率样品时同样易受到来自样品不同层面的杂散反射光的影响，影响相位测量精度。共焦扫描成像在上世纪由Minsky提出，由于其具有层析的特性而得到普遍重视。图2为普通反射式共焦显微系统示意图。光源21发出的光由透镜22会聚在针孔23上，通过针孔后从分光镜24透射，由透镜22会聚于被测物25上。假设被测物25是一个理想全反射平面，它沿透镜22轴向进行扫描。当物体在焦平面时，反射光被精确的聚焦在针孔26上，此时探测器27接收到大量的入射光能量。若反射面从焦平面上移开(图2中的虚线)，则反射光被聚焦在针孔26前面的某个位置，此时探测器27接收到的光强信号大大减弱，即离焦面在点探测器上产生的信号随离焦量增加迅速降低。深入研究表明，共焦显微系统不仅可以抑制成像中的弱杂散光，而且在相同成像条件下，其横向分辨率为普通显微系统的1.4倍，并且具有三维层析成像功能。共焦显微术已被应用于表面形貌测量领域，它的优点是能够探测待测表面绝对位置的变化。但是，单纯的共焦形貌测量方法的轴向分辨率因为光源噪声和功率漂移的影响受到限制；而且，点探测器接收的光强变化和待测物体位移之间具有一定的非线性，形貌测量的精度受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新的形貌测量装置，它融合了微片激光器的高光回馈灵敏度，外差式光回馈相位测量的高分辨率和共焦系统的绝对位置测量等优点，解决了过去单纯基于相位测量或者共焦法的光学形貌测量方法的缺点，能够实现各种反射率表面的高分辨率形貌测量，尤其是可以进行以往光学形貌测量方法较难完成的低反射率样品非连续表面的高分辨率测量。图3所示为本专利技术的测量原理框图。对于微片激光器，当回馈光相对于腔内激光的频移量接近激光器的驰豫振荡频率时，微弱的回馈光就可以引起一定幅度的激光器光功率调制；由于采用了共焦光回馈光路，待测样品表面的高度起伏同时影响着回馈光的强度和相位，因此也影响着激光器功率调制的幅度和相位；通过外差测量方法同时检测出此激光功率调制的幅度和相位，其中，幅度信息用于样品表面两点高度差的半波长大数的判定，相位信息用于此高度差的半波长小数测量；最后，综合半波长大数和小数信息得到样品表面上两点的高度差。这样，本专利技术同时具备了高灵敏度，大量程和高分辨率等优点，可以满足低反射率样品非连续表面测量的要求。本专利技术的测量原理具体如下单纵模微片激光器输出的光场E(t)为E(t)＝E0exp，(1)式中，各变量的含义为E0为光场慢变振幅，ω为激光频率，φ0为出射激光的初始相位。在外腔，出射光场E经过移频装置(移频量为Ω/2)后，经过透镜投射到样品上，部分光被样品反射后再次通过移频装置，又返回到激光谐振腔，形成回馈光。因此，回馈光光场为Einj(t)＝KE(t-τ)exp(iΩt)exp，(2)式中，各变量的含义为K为光回馈系数；τ为反馈光在外腔的时延，它由外腔腔长决定。考虑回馈光影响的B类激光器速率方程为dNdt=γ(N0-N)-BN|E|2,---(3)]]>dE(t)dt=E(t)+γcEinj(t)]]>式中，各变量的含义为N和N0分别为激光器实际反转粒子数和小信号反转粒子数；γ为反转粒子数的衰减速率；γc为腔内光场的衰减速率；B为爱因斯坦受激辐射系数；ωc和ω分别为谐振腔共振频率和实际激光频率。由公式(3)可以得到，移频光回馈引起的激光器输出功率相对调制为ΔPPs=2Kγc(η2γ2+Ω2)1/21/2cos(Ωt-ωτ+φs),---(4)]]> 式中，ΔP为激光器功率调制信号；Ps为稳态输出功率；η为实际泵浦功率和阈值泵浦功率的比值；ωR＝1/2，是微片激光器的驰豫振荡频率；φs为固定的附加相位，和ωτ无关。根据公式(4)，当回馈光在外腔的频移量Ω＝ωR时，它引起的功率调制幅度达到最大ΔPPs≈2Kηγcγ;]]>对于微片激光器，γc/γ可以达到106量级。这相当于对光回馈系数K的一个极大的放大；因此，当回馈本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光共焦回馈显微测量装置，其特征在于，含有：输出单纵模的微片激光器（１），输出单纵模激光；透镜（２）和分光镜（３），依次放置在该激光器发射端轴线上；移频器件（４），为声光移频器，放置在分光镜（３）的透射光路上，移 频器件（４）输出的激光的频率相对于激光器腔内光频ω发生Ω／２的偏移；共焦光回馈模块（５），放置在移频器件（４）的透射光路上，该模块（５）包括依次放置的透镜（７１）、针孔（７２）、透镜（７３）和显微物镜（７４），其中透镜（７１ ），把移频器件（４）输出的透射光会聚于针孔（７２）上，针孔（７２），通过针孔（７２）的透射光由透镜（７３）准直成平行光束，该平行光束通过显微物镜（７４）会聚在样品（６）的表面上，一部分激光被样品（６）反射后再次进入所述共焦光回馈模块 （５），针孔（７２）在作为共焦系统中点光源的同时，又起到点探测器的作用，使得通过所述共焦光回馈模块（５）的反射光强度随样品（６）表面的离焦值增大而迅速减弱，从而导致回馈光强度降低，以评估样品（６）表面的绝对位置的变化；另一个透镜（２ ）和光电探测器（７），依次放置在分光镜（３）的反射光路上；正弦信号发生源（８），输出端和移频器件（４）的输入端相连，输出频率为Ω／２的电信号；参考信号发生电路（９），输入端和所述正弦信号发生源（８）的频率为Ω／２的电信号输出 端相连；信号调理电路（１０），输入端与所述光电探测器（７）的输出端相连；正交相敏检波器（１１），两个输入端分别和所述参考信号发生电路（９）以及信号调理电路（１０）的输出端相连，同时解调出光功率调制信号的幅度和相位，以便在形貌 测量过程中依次分别实现样品（６）表面上两点之间高度差的半波长大数和半波长小数的测量，据此得出样品（６）表面上两点之间的高度差；其中，当样品（６）产生的反射光再次经过移频器件（４）时形成频率为ω＋Ω的回馈光，以Ω的调制频率调制所述微片 激光器（１）的输出光功率。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张书练，万新军，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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