專利名稱：全光纖斐索干涉共焦測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及納米精度測量，特別是一種全光纖斐索干涉共焦測量裝置。卜: 要應用于微納器件的高精度三維形貌測量。
技術背景納米科學技術是基于納米尺度的物理、化學、生物、信息、材料等學科構成的交叉的科學技術體系。作為21世紀的新興學科，納米科技的飛速發(fā)展將對材料、器 件、系統(tǒng)以及加工技術帶來根本性的變革。開發(fā)可大批量生產的高度集成化、智能 化的微納器件是納米技術所要實現(xiàn)的目標之一。準確的幾何量檢測是研究和控制微 納器件性能的關鍵環(huán)節(jié)，例如，表面形貌、臺階高度、多層結構中各層的厚度等。共焦掃描顯微系統(tǒng)具有獨特的軸向響應特性，具有三維層析成像功能，已經廣 泛應用于生物、醫(yī)學、工業(yè)探測以及計量學領域。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，且光源的噪聲和漂移直接影響測量結果。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，， 使測量分辨率達到2nm，由于仍采用光強測量方法，使得測量精度受光強曲線非線性 的影響。光纖斐索干涉測量技術是一種用于微位移和表面形貌的高精度測量技術 [Profile measurement of optically rough surfaces by fiber-optic interferometry, OPTICS LETTERS, Vol.18, No. 16， 1361-1363,1993],但是不具 有軸向層析功能。 發(fā)明內容本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提出一種利用波分復用技術、 采用光纖光柵濾波器巧妙融合的斐索干涉技術和共焦顯微技術的方法，提供一種用 于微納器件的表面形貌、臺階高度、多層結構中各層的厚度等幾何量進行高精度測 量的全光纖斐索干涉共焦測量裝置。本實用新型的技術解決方案如下一種全光纖斐索干涉共焦測量裝置，特征在于其構成為第一半導體激光器的輸出端和第二半導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光元件的第一端口相 連，該光纖導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自聚焦透鏡照射在處F三維掃描平 臺t的待測樣品上，所述的光纖導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器相連，第三光纖光柵的輸出端和第二光電探 測器相連。所述的第一半導體激光器的中心波長義。和第二半導體激光器的中心波長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和反射帶寬相匹配。 所述的光纖導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體激光器和第二半導 體激光器發(fā)射的光信號的其它低損耗光纖。所述的第二光纖光柵是中心波長為^的窄帶濾波器，第三光纖光柵是中心波長為義。的窄帶濾波器。所述的第一光電探測器和第二光電探測器的響應波長與所述的第一半導體激光 器和第二半導體激光器發(fā)射的光信號的波段相對應，所述的第一光電探測器和第二 光電探測器是光電二極管，或是光電池。本實用新型具有以下特點和優(yōu)點-1) 光路采用全光纖化結構，測量系統(tǒng)實現(xiàn)了微型化和柔性化，結構簡單，光路 穩(wěn)定，抗干擾能力強，便于對被測結構進行定位。而且共焦系統(tǒng)不存在物理針孔阻 塞和清洗的問題。2) 將光干涉和共焦顯微技術相結合，既充分利用了光干涉測量技術的高精度特 點和共焦測量技術獨有的大范圍軸向響應特點，又克服了光干涉測請技術的相對測量和共焦測量技術的分辨率低的缺點，可以對微納器件的表面形貌、臺階高度、多 層結構的厚度等幾何量進行高精度非接觸式的測量。3) 引入光纖通信系統(tǒng)中波分復用思想和光纖光柵技術，采用雙波長復用方法實現(xiàn)達到光干涉系統(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臂 是共光路的，因而系統(tǒng)的全部三個光信號都是共光路的，提高了測量的穩(wěn)定性。

圖l為本實用新型的全光纖斐索干涉共焦測量裝置的光路結構示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本實用新型作進 一 歩說明，但不應以此限制本實用新 型的保護范圍。圖l為本實用新型的全光纖斐索干涉共焦測量裝置的光路結構示意圖，也是本實 用新型實施例的的光路結構示意圖。由圖可見，本實用新型全光纖斐索干涉共焦測 量裝置的構成為-第一半導體激光器1和第二半導體激光器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和光纖導光元件4的第-一端 口41相連，該光纖導光元件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的衍射光經自聚焦透鏡7照射在處 于三維掃描平臺8上的待測樣品14上，所述的光纖導光元件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器12相連， 第三光纖光柵11和第二光電探測器13相連。所述的第一半導體激光器1的中心波長義。和第二半導體激光器2的中心波長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的中心波長和反射帶寬相 匹配。本實施例中第一半導體激光器l和第二半導體激光器2采用輸出波長在1300mn 波段的分布反饋式(DFB)半導體激光器，兩者的中心波長差別在數個納米以內， 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。第一光電探測器12和 第二光電探測器13采用InGaAs光電探測器。本實用新型的全光纖斐索干涉共焦測量裝置的工作原理敘述如下 本實用新型引入光纖通信技術中的波分復用思想，采用雙波長復用方法， 一個 波長對應斐索干涉系統(tǒng)，另一個波長對應共焦顯微系統(tǒng)，實現(xiàn)光斐索干涉系統(tǒng)和共 焦系統(tǒng)的共光路融合，以達到既充分利用光干涉測量的高精度特點和共焦測量獨有
的大范圍軸向響應特點，又克服光千涉測量的相對測量和共焦測量的分辨率低的缺 點的目的。如圖1所示，第一半導體激光器1和第二半導體激光器2發(fā)出激光波長分別 為義0和義1，第一光纖光柵6的中心波長為義0，第二光纖光柵10的中心波長為義0，第二光纖光柵ll的波長為中心"。波長為20的激光經過光纖合波器3和光纖導光兀 件4到達探頭光纖5，經過第一光纖光柵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，通過自聚焦透鏡7到達被測樣品14并被樣品反射，這兩束反射光在第二光電探測器13發(fā)生干涉，構成光纖斐索干涉系統(tǒng)。波長為"的激光經過光纖合 波器3和光纖導光元件4到達探頭光纖5，并通過第一光纖光柵6從光纟f端面A輸出， 經過自聚焦透鏡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"，由此波長為^的光構成光 纖共焦顯微系統(tǒng)。在測量時，由光纖共焦顯微系統(tǒng)負責確定反射面，也就是軸向層 析功能，由斐索干涉系統(tǒng)負責測量二維形貌。上面所述的第一半導體激光器1和第二半導體激光器2，是測量系統(tǒng)光信號的發(fā) 射源，它們的中心波長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的中心波長和反射帶寬相匹配。所述的光纖導光元件4，其功能是將從光纖合波器3輸出的包含兩個波長的激光 信號發(fā)送至探頭光纖5，并將探頭光纖5中反向傳輸的光信號發(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的半導體激光器1和半導體激光器2發(fā)射的光信號的其它光 纖。所述的光纖光柵6，其功能是為斐索千涉系統(tǒng)提供一個參考反射而，同時又不反 射共焦系統(tǒng)的光信號。其反射率大小可以根據被測樣品14的反射特性來確定，以獲 得高的千涉對比度。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，構成一個雙波長 解復用模塊，作用是使得第一光電探測器12只接收共焦系統(tǒng)的波長為"的光，第二 光電探測器13只接收斐索干涉系統(tǒng)的波長為20的光。本實用新型采用窄帶光纖光柵作為濾波器，使得兩個波長的間隔很小，從而可
以減少波長差別帶來的焦點彌散問題。所述的第一光電探測器12和第二光電探測器13的功能是將光信號轉換為電信 號，其響應波長應在上面所說的第一半導體激光器1和第二半導體激光器2發(fā)射的光 信號的波段，它們可以是光電二極管，或是光電池等。實驗和分析表明本實用新型具有以下特點和優(yōu)點1) 光路采用全光纖化結構，測量系統(tǒng)實現(xiàn)了微型化和柔性化，結構簡單，光路 穩(wěn)定，抗干擾能力強，便于對被測結構進行定位。而且共焦系統(tǒng)不存在物理針孔阻 塞和清洗的問題。2) 將光干涉和共焦顯微技術相結合，既充分利用了光干涉測量技術的高精度特 點和共焦測量技術獨有的大范圍軸向響應特點，又克服了光干涉測量技術的相對測 量和共焦測量技術的分辨率低的缺點，可以對微納器件的表面形貌、臺階高度、多 層結構的厚度等幾何量進行高精度非接觸式的測量。3)引入光纖通信系統(tǒng)中波分復用思想和光纖光柵技術，采用雙波長復用方法實 現(xiàn)達到光干涉系統(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臂 是共光路的，因而系統(tǒng)的全部三個光信號都是共光路的，提高了測量的穩(wěn)定性。
權利要求1、一種全光纖斐索干涉共焦測量裝置，特征在于其構成為第一半導體激光器(1)和第二半導體激光器(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)和光纖導光元件(4)的第一端口(41)相連，該光纖導光元件(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)的衍射光經自聚焦透鏡(7)照射在處于三維掃描平臺(8)上的待測樣品(14)上，所述的光纖導光元件(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器(12)相連，第三光纖光柵(11)和第二光電探測器(13)相連。
2、 根據權利要求l所述的全光纖斐索干涉共焦測量裝置，其特祉在于所述的第 一半導體激光器(i)的中心波長A。和第二半導體激光器(2)的中心波長/^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)的中心波長和反射 帶寬相匹配。
3、 根據權利要求i所述的全光纖斐索干涉共焦測量裝置，其特征在于所述的光 纖導光元件(4)是光纖耦合器、或是光纖環(huán)行器。
4、 根據權利要求l所述的全光纖斐索干涉共焦測量裝置，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體激光器(O和第 二半導體激光器(2)發(fā)射的光信號的其它低損耗光纖。
5、 根據權利要求l所述的全光纖斐索干涉共焦測量裝置，其特征在于所述的第 二光纖光柵(10)是中心波長為4的窄帶濾波器，第三光纖光柵(il)是中心波長 為人的窄帶濾波器。
6、 根據權利要求1至5任一項所述的全光纖斐索干涉共焦測量裝置，其特征在于 所述的第一光電探測器U2)和第二光電探測器(13)的響應波長與所述的第一半 導體激光器(1)和第二半導體激光器(2)發(fā)射的光信號的波段相對應，所述的第 一光電探測器Q2)和第二光電探測器(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行高精度測量的全光纖斐索干涉共焦測量裝置，構成為第一半導體激光器和第二半導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光元件的第一端口相連，該光纖導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自聚焦透鏡照射在處于三維掃描平臺上的待測樣品上，所述的光纖導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器相連，第三光纖光柵的輸出端和第二光電探測器相連。
文檔編號G01B11/00GK201043884SQ20072006731
公開日2008年4月2日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權日2007年2月13日
發(fā)明者方祖捷, 蔡海文, 陳高庭 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所