專利名稱：全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及納米精度測(cè)量，特別是一種全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置。卜: 要應(yīng)用于微納器件的高精度三維形貌測(cè)量。
技術(shù)背景納米科學(xué)技術(shù)是基于納米尺度的物理、化學(xué)、生物、信息、材料等學(xué)科構(gòu)成的交叉的科學(xué)技術(shù)體系。作為21世紀(jì)的新興學(xué)科，納米科技的飛速發(fā)展將對(duì)材料、器 件、系統(tǒng)以及加工技術(shù)帶來(lái)根本性的變革。開(kāi)發(fā)可大批量生產(chǎn)的高度集成化、智能 化的微納器件是納米技術(shù)所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)之一。準(zhǔn)確的幾何量檢測(cè)是研究和控制微 納器件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，例如，表面形貌、臺(tái)階高度、多層結(jié)構(gòu)中各層的厚度等。共焦掃描顯微系統(tǒng)具有獨(dú)特的軸向響應(yīng)特性，具有三維層析成像功能，已經(jīng)廣 泛應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、工業(yè)探測(cè)以及計(jì)量學(xué)領(lǐng)域。但普通的共焦顯微鏡的軸向分辨 率仍然只停留在亞微米量級(jí)，且光源的噪聲和漂移直接影響測(cè)量結(jié)果。為此提出了 差云力式共焦顯微系統(tǒng)[Noninterferometric differential confoc;U microscopy with 2-nm depth resolution, Optics Communications, 135， 23-V237, 1997，， 使測(cè)量分辨率達(dá)到2nm，由于仍采用光強(qiáng)測(cè)量方法，使得測(cè)量精度受光強(qiáng)曲線非線性 的影響。光纖斐索干涉測(cè)量技術(shù)是一種用于微位移和表面形貌的高精度測(cè)量技術(shù) [Profile measurement of optically rough surfaces by fiber-optic interferometry, OPTICS LETTERS, Vol.18, No. 16， 1361-1363,1993],但是不具 有軸向?qū)游龉δ堋?發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種利用波分復(fù)用技術(shù)、 采用光纖光柵濾波器巧妙融合的斐索干涉技術(shù)和共焦顯微技術(shù)的方法，提供一種用 于微納器件的表面形貌、臺(tái)階高度、多層結(jié)構(gòu)中各層的厚度等幾何量進(jìn)行高精度測(cè) 量的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置，特征在于其構(gòu)成為第一半導(dǎo)體激光器的輸出端和第二半導(dǎo)體激光器的輸出端分別和光纖合波器的 第一端口 、第二端口相連，該光纖合波器的第三端口和光纖導(dǎo)光元件的第一端口相 連，該光纖導(dǎo)光元件的第三端口和探頭光纖相連，改探頭光纖上靠近輸出端面寫有 第-光纖光柵，所述的第一光纖光柵的衍射光經(jīng)自聚焦透鏡照射在處F三維掃描平 臺(tái)t的待測(cè)樣品上，所述的光纖導(dǎo)光元件的第二端口和光纖分束器的第一端口相連， 該光纖分束器的第三端口和第四端口分別和第三光纖光柵及第二光纖光柵相連，第 二光纖光柵的輸出端和第一光電探測(cè)器相連，第三光纖光柵的輸出端和第二光電探 測(cè)器相連。所述的第一半導(dǎo)體激光器的中心波長(zhǎng)義。和第二半導(dǎo)體激光器的中心波長(zhǎng)A和帶 寬與第一光纖光柵、第二光纖光柵、光纖光柵的中心波長(zhǎng)和反射帶寬相匹配。 所述的光纖導(dǎo)光元件是光纖耦合器、或是光纖環(huán)行器。所述的探頭光纖的輸出端面切有一個(gè)角度，以減小端面的反射，該探頭光纖為 普通商用單模光纖或多模光纖或其它適合傳輸所述的第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo) 體激光器發(fā)射的光信號(hào)的其它低損耗光纖。所述的第二光纖光柵是中心波長(zhǎng)為^的窄帶濾波器，第三光纖光柵是中心波長(zhǎng)為義。的窄帶濾波器。所述的第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)與所述的第一半導(dǎo)體激光 器和第二半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光信號(hào)的波段相對(duì)應(yīng)，所述的第一光電探測(cè)器和第二 光電探測(cè)器是光電二極管，或是光電池。本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)-1) 光路采用全光纖化結(jié)構(gòu)，測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微型化和柔性化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光路 穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，便于對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位。而且共焦系統(tǒng)不存在物理針孔阻 塞和清洗的問(wèn)題。2) 將光干涉和共焦顯微技術(shù)相結(jié)合，既充分利用了光干涉測(cè)量技術(shù)的高精度特 點(diǎn)和共焦測(cè)量技術(shù)獨(dú)有的大范圍軸向響應(yīng)特點(diǎn)，又克服了光干涉測(cè)請(qǐng)技術(shù)的相對(duì)測(cè)量和共焦測(cè)量技術(shù)的分辨率低的缺點(diǎn)，可以對(duì)微納器件的表面形貌、臺(tái)階高度、多 層結(jié)構(gòu)的厚度等幾何量進(jìn)行高精度非接觸式的測(cè)量。3) 引入光纖通信系統(tǒng)中波分復(fù)用思想和光纖光柵技術(shù)，采用雙波長(zhǎng)復(fù)用方法實(shí)現(xiàn)達(dá)到光干涉系統(tǒng)和共焦系統(tǒng)的共光路融合，由于斐索干涉本身的參考臂和信號(hào)臂 是共光路的，因而系統(tǒng)的全部三個(gè)光信號(hào)都是共光路的，提高了測(cè)量的穩(wěn)定性。

圖l為本實(shí)用新型的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn) 一 歩說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新 型的保護(hù)范圍。圖l為本實(shí)用新型的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖，也是本實(shí) 用新型實(shí)施例的的光路結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見(jiàn)，本實(shí)用新型全光纖斐索干涉共焦測(cè) 量裝置的構(gòu)成為-第一半導(dǎo)體激光器1和第二半導(dǎo)體激光器2的輸出端分別和光纖合波器3的第一 端口31、第二端口32相連，該光纖合波器3的第三端口33和光纖導(dǎo)光元件4的第-一端 口41相連，該光纖導(dǎo)光元件4的第三端口43和探頭光纖5相連，該探頭光纖5上靠近輸 出端面寫有第一光纖光柵6，所述的第一光纖光柵6的衍射光經(jīng)自聚焦透鏡7照射在處 于三維掃描平臺(tái)8上的待測(cè)樣品14上，所述的光纖導(dǎo)光元件4的第二端口42和光纖分 束器9的第一端口91相連，該光纖分束器9的第三端口93和第四端口94分別和第三光 纖光柵11及第二光纖光柵10相連，第二光纖光柵10的輸出和第一光電探測(cè)器12相連， 第三光纖光柵11和第二光電探測(cè)器13相連。所述的第一半導(dǎo)體激光器1的中心波長(zhǎng)義。和第二半導(dǎo)體激光器2的中心波長(zhǎng)4和 帶寬與第一光纖光柵6、第二光纖光柵IO、第三光纖光柵ll的中心波長(zhǎng)和反射帶寬相 匹配。本實(shí)施例中第一半導(dǎo)體激光器l和第二半導(dǎo)體激光器2采用輸出波長(zhǎng)在1300mn 波段的分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器，兩者的中心波長(zhǎng)差別在數(shù)個(gè)納米以內(nèi)， 輸出功率為lmW。光纖合波器3采用分束比為1:1的光纖耦合器。光纖導(dǎo)光元件4也采 用分束比為l:l的光纖耦合器。探頭光纖5為普通商用單模光纖。光纖分束器9采用分 束比為l:l的光纖耦合器。第一光纖光柵6、第二光纖光柵IO、第三光纖光柵ll采用 在普通單模光纖中用紫外激光輻照寫入的均勻周期光纖光柵。第一光電探測(cè)器12和 第二光電探測(cè)器13采用InGaAs光電探測(cè)器。本實(shí)用新型的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置的工作原理敘述如下 本實(shí)用新型引入光纖通信技術(shù)中的波分復(fù)用思想，采用雙波長(zhǎng)復(fù)用方法， 一個(gè) 波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)斐索干涉系統(tǒng)，另一個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)共焦顯微系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光斐索干涉系統(tǒng)和共 焦系統(tǒng)的共光路融合，以達(dá)到既充分利用光干涉測(cè)量的高精度特點(diǎn)和共焦測(cè)量獨(dú)有
的大范圍軸向響應(yīng)特點(diǎn)，又克服光千涉測(cè)量的相對(duì)測(cè)量和共焦測(cè)量的分辨率低的缺 點(diǎn)的目的。如圖1所示，第一半導(dǎo)體激光器1和第二半導(dǎo)體激光器2發(fā)出激光波長(zhǎng)分別 為義0和義1，第一光纖光柵6的中心波長(zhǎng)為義0，第二光纖光柵10的中心波長(zhǎng)為義0，第二光纖光柵ll的波長(zhǎng)為中心"。波長(zhǎng)為20的激光經(jīng)過(guò)光纖合波器3和光纖導(dǎo)光兀 件4到達(dá)探頭光纖5，經(jīng)過(guò)第一光纖光柵6， 一部分光被其反射， 一部分光繼續(xù)傳輸從 光纖端面A輸出，通過(guò)自聚焦透鏡7到達(dá)被測(cè)樣品14并被樣品反射，這兩束反射光在第二光電探測(cè)器13發(fā)生干涉，構(gòu)成光纖斐索干涉系統(tǒng)。波長(zhǎng)為"的激光經(jīng)過(guò)光纖合 波器3和光纖導(dǎo)光元件4到達(dá)探頭光纖5，并通過(guò)第一光纖光柵6從光纟f端面A輸出， 經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡7聚焦到樣品14，反射后又由光纖頭耦合回光纖，由第一光電探測(cè)器 12接收，這里光纖端面A的作用就是共焦系統(tǒng)的"針孔"，由此波長(zhǎng)為^的光構(gòu)成光 纖共焦顯微系統(tǒng)。在測(cè)量時(shí)，由光纖共焦顯微系統(tǒng)負(fù)責(zé)確定反射面，也就是軸向?qū)?析功能，由斐索干涉系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量二維形貌。上面所述的第一半導(dǎo)體激光器1和第二半導(dǎo)體激光器2，是測(cè)量系統(tǒng)光信號(hào)的發(fā) 射源，它們的中心波長(zhǎng)和帶寬需要與第一光纖光柵6、第二光纖光柵IO、第三光纖光 柵ll的中心波長(zhǎng)和反射帶寬相匹配。所述的光纖導(dǎo)光元件4，其功能是將從光纖合波器3輸出的包含兩個(gè)波長(zhǎng)的激光 信號(hào)發(fā)送至探頭光纖5，并將探頭光纖5中反向傳輸?shù)墓庑盘?hào)發(fā)送至光纖分束器9。它 可以是光纖耦合器或者是光纖環(huán)行器，如果是光纖耦合器，其分束比一般為l:l。所說(shuō)的探頭光纖5，其靠近輸出端面A的位置寫有第一光纖光柵6，輸出端面A切 有一個(gè)角度，以減小端面的反射。它可以是普通商用單模光纖或多模光纖或其它適 合低損耗傳輸上面所說(shuō)的半導(dǎo)體激光器1和半導(dǎo)體激光器2發(fā)射的光信號(hào)的其它光 纖。所述的光纖光柵6，其功能是為斐索千涉系統(tǒng)提供一個(gè)參考反射而，同時(shí)又不反 射共焦系統(tǒng)的光信號(hào)。其反射率大小可以根據(jù)被測(cè)樣品14的反射特性來(lái)確定，以獲 得高的千涉對(duì)比度。上面所述的光纖分束器9、第二光纖光柵10和第三光纖光柵11，構(gòu)成一個(gè)雙波長(zhǎng) 解復(fù)用模塊，作用是使得第一光電探測(cè)器12只接收共焦系統(tǒng)的波長(zhǎng)為"的光，第二 光電探測(cè)器13只接收斐索干涉系統(tǒng)的波長(zhǎng)為20的光。本實(shí)用新型采用窄帶光纖光柵作為濾波器，使得兩個(gè)波長(zhǎng)的間隔很小，從而可
以減少波長(zhǎng)差別帶來(lái)的焦點(diǎn)彌散問(wèn)題。所述的第一光電探測(cè)器12和第二光電探測(cè)器13的功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信 號(hào)，其響應(yīng)波長(zhǎng)應(yīng)在上面所說(shuō)的第一半導(dǎo)體激光器1和第二半導(dǎo)體激光器2發(fā)射的光 信號(hào)的波段，它們可以是光電二極管，或是光電池等。實(shí)驗(yàn)和分析表明本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1) 光路采用全光纖化結(jié)構(gòu)，測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了微型化和柔性化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光路 穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，便于對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位。而且共焦系統(tǒng)不存在物理針孔阻 塞和清洗的問(wèn)題。2) 將光干涉和共焦顯微技術(shù)相結(jié)合，既充分利用了光干涉測(cè)量技術(shù)的高精度特 點(diǎn)和共焦測(cè)量技術(shù)獨(dú)有的大范圍軸向響應(yīng)特點(diǎn)，又克服了光干涉測(cè)量技術(shù)的相對(duì)測(cè) 量和共焦測(cè)量技術(shù)的分辨率低的缺點(diǎn)，可以對(duì)微納器件的表面形貌、臺(tái)階高度、多 層結(jié)構(gòu)的厚度等幾何量進(jìn)行高精度非接觸式的測(cè)量。3)引入光纖通信系統(tǒng)中波分復(fù)用思想和光纖光柵技術(shù)，采用雙波長(zhǎng)復(fù)用方法實(shí) 現(xiàn)達(dá)到光干涉系統(tǒng)和共焦系統(tǒng)的共光路融合，由于斐索干涉本身的參考臂和信號(hào)臂 是共光路的，因而系統(tǒng)的全部三個(gè)光信號(hào)都是共光路的，提高了測(cè)量的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求1、一種全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置，特征在于其構(gòu)成為第一半導(dǎo)體激光器(1)和第二半導(dǎo)體激光器(2)的輸出端分別和光纖合波器(3)的第一端口(31)、第二端口(32)相連，該光纖合波器(3)的第三端口(33)和光纖導(dǎo)光元件(4)的第一端口(41)相連，該光纖導(dǎo)光元件(4)的第三端口(43)和探頭光纖(5)相連，該探頭光纖(5)上靠近輸出端面寫有第一光纖光柵(6)，所述的第一光纖光柵(6)的衍射光經(jīng)自聚焦透鏡(7)照射在處于三維掃描平臺(tái)(8)上的待測(cè)樣品(14)上，所述的光纖導(dǎo)光元件(4)的第二端口(42)和光纖分束器(9)的第一端口(91)相連，該光纖分束器(9)的第三端口(93)和第四端口(94)分別和第三光纖光柵(11)及第二光纖光柵(10)相連，第二光纖光柵(10)的輸出和第一光電探測(cè)器(12)相連，第三光纖光柵(11)和第二光電探測(cè)器(13)相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置，其特祉在于所述的第 一半導(dǎo)體激光器(i)的中心波長(zhǎng)A。和第二半導(dǎo)體激光器(2)的中心波長(zhǎng)/^和帶寬與第一光纖光柵(6)、第二光纖光柵(10)、第三光纖光柵(11)的中心波長(zhǎng)和反射 帶寬相匹配。
3、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置，其特征在于所述的光 纖導(dǎo)光元件(4)是光纖耦合器、或是光纖環(huán)行器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置，其特征在于所述的探 頭光纖(5)的輸出端面(A)切有一個(gè)角度，以減小端面的反射，該探頭光纖(5) 為普通商用單模光纖或多模光纖或其它適合傳輸所述的第一半導(dǎo)體激光器(O和第 二半導(dǎo)體激光器(2)發(fā)射的光信號(hào)的其它低損耗光纖。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置，其特征在于所述的第 二光纖光柵(10)是中心波長(zhǎng)為4的窄帶濾波器，第三光纖光柵(il)是中心波長(zhǎng) 為人的窄帶濾波器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置，其特征在于 所述的第一光電探測(cè)器U2)和第二光電探測(cè)器(13)的響應(yīng)波長(zhǎng)與所述的第一半 導(dǎo)體激光器(1)和第二半導(dǎo)體激光器(2)發(fā)射的光信號(hào)的波段相對(duì)應(yīng)，所述的第 一光電探測(cè)器Q2)和第二光電探測(cè)器(13)是光電二極管，或是光電池。
專利摘要一種用于微納器件的表面形貌和層面厚度進(jìn)行高精度測(cè)量的全光纖斐索干涉共焦測(cè)量裝置，構(gòu)成為第一半導(dǎo)體激光器和第二半導(dǎo)體激光器的輸出端分別和光纖合波器的第一端口、第二端口相連，該光纖合波器的第三端口和光纖導(dǎo)光元件的第一端口相連，該光纖導(dǎo)光元件的第三端口和探頭光纖相連，該探頭光纖上靠近輸出端面寫有第一光纖光柵，所述的第一光纖光柵的衍射光經(jīng)自聚焦透鏡照射在處于三維掃描平臺(tái)上的待測(cè)樣品上，所述的光纖導(dǎo)光元件的第二端口和光纖分束器的第一端口相連，該光纖分束器的第三端口和第四端口分別和第三光纖光柵及第二光纖光柵相連，第二光纖光柵的輸出端和第一光電探測(cè)器相連，第三光纖光柵的輸出端和第二光電探測(cè)器相連。
文檔編號(hào)G01B11/00GK201043884SQ20072006731
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者方祖捷, 蔡海文, 陳高庭 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所