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行業(yè)新聞

3分鐘了解激光干涉儀——高精密的尺子
發(fā)布時(shí)間:2021-07-09瀏覽次數:4264

1.激光干涉儀的發(fā)展史

做衣量身、體檢量高都由尺子完成,這些日常的尺子的刻度是毫米。機械零件加工和檢驗都要用尺子,在機械制造企業(yè),卡尺、千分尺隨處可見(jiàn),其精確度是10 μm,1 μm。

1887年邁克爾遜(Michelson)和莫雷(Morley)研究以太[1]:是否存在,使用了光。他們以光波長(cháng)作尺子刻度測量了水平面和垂直面的光速之差,第一次否定了以太的存在。他們利用的是光的干涉現象,這就是光學(xué)干涉儀的誕生。

注[1]:根據古代和中世紀科學(xué),以太被稱(chēng)為第五元素,是填充地球球體上方宇宙區域的物質(zhì)。以太的概念在一些理論中被用來(lái)解釋一些自然現象,例如光和重力的傳播。19世紀末,物理學(xué)家假設以太滲透到整個(gè)空間,以太是光在真空中傳播的介質(zhì),但是在邁克爾遜-莫利實(shí)驗中沒(méi)有發(fā)現這種介質(zhì)存在的證據,這個(gè)結果被解釋為沒(méi)有光以太存在。

1961年研究人員發(fā)明了氦氖激光器,開(kāi)始用氦氖激光器作為邁克爾遜干涉儀的光源,從而誕生了激光干涉儀。圖1是邁克爾遜干涉儀簡(jiǎn)圖。邁克爾遜干涉儀是普通物理的基本實(shí)驗之一。但今天在科學(xué)研究和工業(yè)中應用的激光干涉儀出于邁克爾遜,但性能遠遠勝于邁克爾遜。

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圖1 邁克爾遜干涉儀簡(jiǎn)圖

 

基本上,激光干涉儀都使用氦氖激光器的632.8 nm波長(cháng)的光,橙紅燦爛的光束射向遠方,發(fā)散角可以小到0.1 mrad,光束截面的光斑均勻。氦氖激光器還可輸出綠光、黃光、紅外光,但只有632.8 nm波長(cháng)的光適合作激光干涉儀的光源。其它類(lèi)型的激光器,如半導體(LD)、固體激光器等的相干等性能都遠不及氦氖激光器,研究人員多有嘗試,但都沒(méi)有成功。

激光干涉儀有很多應用,但本質(zhì)都是測量中學(xué)課本講的“位移”,諸多應用都是“位移”的延伸和轉化。激光干涉儀有兩個(gè)主流類(lèi)型:?jiǎn)晤l激光干涉儀和雙頻激光干涉儀。單頻干涉儀能做的雙頻激光干涉儀都能做,但雙頻干涉儀能做的單頻干涉儀不見(jiàn)得能做。由于歷史、技術(shù)和商業(yè)原因,兩種干涉儀都有著(zhù)廣泛應用。但在光刻機上,雙頻激光干涉儀占主要市場(chǎng)。

單頻干涉儀不需要對市場(chǎng)上的氦氖激光器進(jìn)行改造,直接可用。但雙頻激光干涉儀用的激光器需要附加技術(shù)使其產(chǎn)生雙頻(兩個(gè)頻率)。

歷史上,雙頻激光干涉儀測量位移的速度不及單頻激光干涉儀,自發(fā)明了雙折射-塞曼雙頻激光器,雙頻激光干涉儀的測量速度也達到每秒幾米,與單頻激光器看齊了。

按產(chǎn)生雙頻的方法,雙頻激光干涉儀分為塞曼雙頻激光(國外)干涉儀和雙折射-塞曼雙頻激光(國內)干涉儀。

現在干涉儀的指標:小可感知1 nm(十億分之1 m),可以測量百米長(cháng)的零件,且測量70 m長(cháng)的導軌誤差僅為幾微米。

 

2.測量位移的干涉儀和測量表面的干涉儀?

有幾個(gè)概念的定義比較混亂(特別是有些研究發(fā)展趨勢的報告),需要注意。

一是“激光測距”和“激光測位移”沒(méi)有界定,資料往往鹿馬不分。

二是不少資料所說(shuō)“激光干涉儀”實(shí)際上包含兩種不同的儀器,一種是測量面型(元件表面)的激光干涉儀,一種是測量位移(長(cháng)度)的激光干涉儀。如海關(guān)的統計和一些年度報告往往混在一起。

激光測距機發(fā)出的激光束是一個(gè)持續時(shí)間納秒的光脈沖,利用光脈沖達到目標和返回的時(shí)間之半乘以光速得到距離,完全和光的干涉無(wú)關(guān)。

盡管激光波面干涉儀和測量位移(長(cháng)度)的干涉儀都是利用光干涉現象,但儀器的設計、光路結構、探測方式、應用場(chǎng)合幾乎沒(méi)有共同之處。激光波面干涉儀能夠測量光學(xué)元件表面的形貌,光束直徑要覆蓋被測零件,在整個(gè)零件表面形成系列干涉條紋,根據測量條紋的亮度(也即相位)算出表面的形貌,其光束口徑、零件直徑可達百毫米;另一種則是測量位移(長(cháng)度)干涉儀,光干涉發(fā)生在直徑幾毫米光路上,表現為只有光電探測器(眼睛)正對著(zhù)射來(lái)的光線(xiàn)才能“看”到光強度的波動(dòng),由波動(dòng)的整次數和(不足半波長(cháng)的)小數算出被測件的位移。

 

3.雙頻激光干涉儀的原理和構成

當圖1的可動(dòng)反射鏡有位移時(shí),光電探測器光敏面會(huì )感受到的光強度正弦變化,動(dòng)鏡移動(dòng)半個(gè)波長(cháng),光強變化一個(gè)周期。光電探測器將光強變化轉化為電信號。如探測到電信號變化了一個(gè)周期,我們就知道動(dòng)鏡移動(dòng)了半個(gè)波長(cháng)。計出總周期數測得動(dòng)鏡的位移。

                       

微信截圖_20210709140828.png

                             (1)

式中:λ為激光波長(cháng),N 為電脈沖總數。

今天的激光干涉儀使用632.8 nm波長(cháng)的激光束,半波長(cháng)即316.4 nm。動(dòng)鏡安裝在被測目標上與目標一起位移,如光刻機的機臺,機床的動(dòng)板上。為了提高分辨力,半波長(cháng)的正弦信號被細分,變成1 nm甚至0.1 nm的電脈沖,可逆計數器計算出總脈沖數,再由計算機計算出位移量S。也常用下式表示動(dòng)鏡的位移,

微信截圖_20210709140850.png

 (2)

其中△f為目標運動(dòng)速度為V時(shí)的多普勒頻移。式(1)和(2)是等價(jià)的,可以互相推導推出來(lái),僅是表方式的不同。

圖2是今天的雙頻激光干涉儀框圖。它由7個(gè)部分構成。

2.png

圖2 雙頻激光干涉儀原理框圖。

 

(1)   雙頻氦氖激光器

氦氖激光器上有磁體。磁體為筒形,激光器上加的是縱向磁場(chǎng),稱(chēng)為縱向塞曼雙頻激光器。四分之一波長(cháng)(λ/4)片把激光器輸出的左旋和右旋光變成偏振態(tài)互相垂直的線(xiàn)偏振光。前文所說(shuō)的雙折射-塞曼雙頻激光器則是在激光器內置入雙折射元件(圖內未畫(huà)出),并加圖2所示的磁條。雙折射元件使激光器形成雙頻,橫向磁場(chǎng)消除兩個(gè)頻率之間的耦合。雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀不需使用四分之一波長(cháng)片。

雙頻激光器是雙頻激光干涉儀的核心,很大程度上,它的性能決定激光干涉儀的性能,要求波長(cháng)(頻率)精度高,功率大,壽命長(cháng),雙頻間隔(頻差)大且穩定,偏振狀態(tài)穩定,兩頻率之間不偏振耦合。這一問(wèn)題的解決是作者較突出的貢獻之一。

(2)   頻率穩定單元

它的作用是保證波長(cháng)(頻率)這把尺子的精確性,達到10-8甚至10-9,即4.74×1014的激光頻率長(cháng)期的變化僅1 MHz左右。

(3)   擴束準直器

實(shí)際上是一個(gè)倒裝的望遠鏡,防止光束發(fā)散。要求激光出射80 m,光束光斑直徑仍然在10 mm之內。

(4)   測量干涉光路

測量干涉光路包括:從分光鏡向右直到可動(dòng)反射鏡(實(shí)際是個(gè)角錐棱鏡),向下到光電探測器2??蓜?dòng)反射鏡裝在被測目標上(如光刻機工作臺上的反射鏡),目標的移動(dòng)產(chǎn)生激光束的頻移Δf,Δf和目標速度成正比,積分就是目標走過(guò)的距離(位移或長(cháng)度)。積分由信號處理單元完成。

(5)   參考光路

參考光路由分光鏡-偏振片-光電探測器1實(shí)現,參考光路中沒(méi)有任何元件移動(dòng),它測得的位移是“假位移”真噪聲。噪聲來(lái)自環(huán)境的擾動(dòng)。信號處理單元從干涉光路的位移中扣除這一噪聲。

(6)   溫度和空氣折射率補償單元

干涉儀測量的目標位移可能長(cháng)達百米,空氣折射率(及改變)和長(cháng)度的乘積成為激光干涉儀的主要誤差來(lái)源之一。用傳感器測出溫度、氣壓、濕度,信號處理單元計算出空氣折射率引入的假位移,并從結果中扣除。

(7)信號處理單元。光電探測器1和2,分別把信號f1-(f2±Δf)和f1-f2的光束轉化為電信號,是可動(dòng)反射鏡位移時(shí)因多普勒效應產(chǎn)生的附加頻率,正負號表示位移的方向。電信號經(jīng)放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號。經(jīng)可逆計數器計數后,由電子計算機進(jìn)行當量換算即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。環(huán)境溫度,氣壓,濕度引入的折射率變化(假位移)送入計算機計算,扣除他們的影響。然后顯示。相當多的應用要求計算機和應用系統通訊,實(shí)現對加工過(guò)程的閉環(huán)控制。

 

4.激光干涉儀的應用

一般說(shuō)來(lái),激光干涉儀的主要用途是測量目標的運動(dòng)狀態(tài),即目標的線(xiàn)性位移大小、旋轉角度(滾轉、俯仰和偏擺)、直線(xiàn)度、垂直度、兩個(gè)目標在運動(dòng)的平行性(度)、平面度等。無(wú)論光刻機的機臺,還是數控機床的導軌(包括激光加工機床),不論是飛行物,還是靜止物的熱膨脹、變形,一旦需要高精度,都要用激光干涉儀測量,得到目標的運動(dòng)狀態(tài)。

運動(dòng)狀態(tài)用由多個(gè)參數給出。以光刻機兩維運動(dòng)中的一個(gè)方向運動(dòng)時(shí)為例,位移(走過(guò)的長(cháng)度)、機臺位移過(guò)程中的偏轉(角、俯仰(角)和滾轉(角)都需要測出。

很多類(lèi)型的設備需要測量,如各類(lèi)機床、三坐標測量機、機器人、3D打印設備、自動(dòng)化設備、線(xiàn)性位移平臺、精密機械設備、精密檢測儀器等領(lǐng)域的線(xiàn)性測量。圖3是幾個(gè)應用的例子。

美國LIGO激光干涉儀實(shí)驗室宣稱(chēng)首次直接測量到了引力波(2016),使用的儀器是激光干涉儀,單程臂長(cháng)4 km。見(jiàn)圖4。 3.jpg  4.jpg  5.jpg

(a)雙頻激光干涉儀測量球面鏡R值        (b)雙頻激光干涉儀雙路測量動(dòng)龍門(mén)激光打孔機         (c)雙頻激光干涉儀測量導軌直線(xiàn)度

圖3 激光干涉儀幾個(gè)應用的例子


6.jpg 

 圖4  LIGO激光干涉儀

來(lái)源:https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c

 

5. 雙頻激光干涉儀發(fā)展存在的問(wèn)題

(1)國內外單頻和雙頻激光干涉儀的進(jìn)展及問(wèn)題

多年來(lái),國內外在單頻和雙頻激光干涉儀方面進(jìn)步不大,特例是雙折射-塞曼雙頻激光器的發(fā)明。由于從國外購買(mǎi)的激光器不能產(chǎn)生大間隔的雙頻光,原有國內雙頻激光干涉儀的供應商基本停產(chǎn)。以前作為基礎研究的雙折射-塞曼雙頻激光器被推到前臺。雙頻激光器是干涉儀的核心技術(shù),走在了世界前端,也解決了國內無(wú)源的重大難題。北京鐳測科技有限公司的開(kāi)發(fā)、糾錯,終于使雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀實(shí)現產(chǎn)品化,進(jìn)入先進(jìn)制造全行業(yè),特別是光刻機。北京鐳測科技有限公司雙折射-塞曼雙頻激光器達到指標:頻率間隔可在1 ~ 30 MHz之間選擇,功率可達1 mW。 頻率差與激光功率之間沒(méi)有相互影響,沒(méi)有塞曼效應的雙頻激光器高功率和大頻率差不能兼得的缺點(diǎn)。

盡管取得進(jìn)展,但氦氖激光器的制造工藝等是個(gè)系統性技術(shù)問(wèn)題,需要全面改善。特別是,國外雙頻激光干涉儀的幾家企業(yè)的激光器都是自產(chǎn)自用,不對外銷(xiāo)售,因此,我們必須自己解決問(wèn)題。

 (2)業(yè)界往往忽略干涉儀的非線(xiàn)性誤差

很長(cháng)時(shí)期以來(lái),業(yè)界認為單頻干涉儀沒(méi)有非線(xiàn)性誤差。德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB) 經(jīng)嚴格測試發(fā)現,單頻干涉儀也存在幾納米的非線(xiàn)性誤差,甚至大于10 nm。塞曼效應的雙頻干涉儀也有非線(xiàn)性誤差,也是無(wú)法消除。對此干涉儀測量誤差,大多使用者是不知情的。到目前,中國計量科學(xué)院的測試得出,北京鐳測科技生產(chǎn)的雙頻激光干涉儀的非線(xiàn)性誤差在1 nm以下。建議把中國計量科學(xué)院的儀器批準為國家標準,并和德國、美國計量院作比對。

非線(xiàn)性誤差發(fā)生在半個(gè)波長(cháng)的位移內,即使量程很小也照樣存在。

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圖5 中國計量科學(xué)研究院:鐳測LH3000雙頻激光干涉儀在進(jìn)行測長(cháng)比對

 

6. 雙頻激光干涉儀的未來(lái)挑戰

本文作者從事研究雙折射-塞曼雙頻激光器起步到成批生產(chǎn)雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀,歷經(jīng)近40年,建議加強以下研究。

(1)高測速

制造業(yè)的發(fā)展很快,精密數控機床運動(dòng)速度已達幾m/s,有特殊應用提出達到10 m/s的要求。目前單頻激光的測量速度還沒(méi)有超過(guò)5 m/s。雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀的測速也處于這一水平,但其頻率差的實(shí)驗已經(jīng)達到幾十MHz,有待信號處理技術(shù)的跟進(jìn)發(fā)展,實(shí)現10 m/s以上的測量速度。

(2)皮米干涉儀

市場(chǎng)上的干涉儀基本都標稱(chēng)分辨力1 nm,也有0.1 nm的廣告。需要發(fā)展皮米分辨力的激光干涉儀以滿(mǎn)足對原子、病毒尺度上的觀(guān)測要求。

(3)溯源

前文已經(jīng)提到,小于半波長(cháng)的位移是把正弦波動(dòng)信號電子細分得到標稱(chēng)的1 nm,和真實(shí)的1 nm相差多少?沒(méi)有人知道,所以需要建立納米、皮米的標準。作者曾做過(guò)初步努力,達到10 nm的純光學(xué)信號,還需做長(cháng)期艱苦的研究。

(4)提高氦氖激光器壽命

在未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間,氦氖激光器仍然是激光干涉儀很好的光源,但其漏氣的特點(diǎn)導致其使用壽命有限,替換壽命終結的氦氖激光器導致光刻機停機,會(huì )帶來(lái)巨大經(jīng)濟損失。因此,延長(cháng)氦氖激光器壽命十分有必要。

來(lái)源:  光電匯OESHOW   https://mp.weixin.qq.com/s/YkyogBrwMSRYC5slMdXERQ

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