第十章 纳米技术 - 修改1 - 图文(7)

第十章 纳米技术

图10-34 利用声光调制器的外差式激光干涉仪方案

AOM 声光调制器 BS分光镜 P检偏器 D光电检测器 M反射镜 B 1/4波片

图10－35是采用Zeeman双频激光器的外差式干涉仪方案，Zeeman激光器输出正交偏振光，一部分反射光被检偏器检偏后由光电检测器输出参考信号Sr；另一部分经过干涉仪系统，正交偏振态分别经历参考光和测量光路后同样被检偏后形成测量信号Sm。Sr和Sm形成的外差信号输入相位检测电路进行电子细分，实现纳米甚至亚纳米精度测量。

图10－35 采用Zeeman双频激光器的外差式干涉仪

PBS偏振分光镜 D电检测器 P检偏器 B 1/4波片 C 反射镜

外差干涉仪的特点是在保证测量精度提高的情况下容易实现大范围测量，是目前应用最为广泛的干涉仪。美国HP公司开发的Zeeman双频激光干涉仪系统，已经达到纳米分辨率，如HP10889B分辨率为1.2nm；美国NIST研制的分子测量机，采用光学倍频和电子细分相结合的激光外差干涉仪方案，测量精度达到0.1nm。

由于光学器件的非理想特性等原因，外差干涉仪激光器输出的双频激光在测量光路中存在模间耦合现象，尤其是从角隅棱镜返回的光偏振态改变，干涉仪中光电检测器同时接受到另外光路中的耦合干涉信号，产生模间耦合。为了克服模间耦合引起的误差，在大尺寸测量中采用了数字实时修正的方法。超外差干涉仪方案是解决模间耦合的一种较有前途的方案，其测量原理如图10－36所示，利用两个外差干涉的再次外差，形成拍频信号，作为双频光源形成外差干涉仪系统，实现对合成波长相位的实时检测。这种方法避免了外差干涉仪对双纵模信号的分别检测，有效克服了模耦合误差。

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第十章 纳米技术

图10－36 双光源超外差干涉仪原理图

PBS偏振分光镜 L 激光器 AOM 声光调制器 R 反射镜 M 移动反射镜 BS 分光棱镜 D电检测器 P检偏器 B 1/4波片 C 反射镜

实际测量过程中，两个独立的半导体激光器产生双频率光源，其频差稳定性很难达到要求，影响了测量精度的提高。例如，要求测量位移为10cm，测量不确定度为0.1μm，则需要保证激光频差稳定性控制在（f1-f2）310－6范围内，这样的频率宽度是很难实现的。为了克服激光器的稳定性问题，图10-37是采用声光调制衍射频移超外差干涉仪方案，半导体激光器发出频率为f1的光束，通过驱动频率为500MHz的声光调制器后一级衍射发生频移，这样一级衍射光与零级衍射光作为两个频差稳定的双光源。衍射后的两束光再次分别发生频移，得到超外差干涉需要的四束光。

图10－37 采用声光调制衍射频移超外差干涉仪方案

DC 光耦合器 PD 光电接收器 AOM 声光调制器

将外差干涉仪应用于工业现场纳米精度测量的主要问题是如何提高系统对外界的抗干扰能力，消除光路中由于空气流动、温度漂移等引起介质折射率的随机变化。在良好控制的外界环境条件下，外差式激光干涉仪短时间内可以得到0.1nm的分辨率。为了消除外界干扰对测量结果的影响，B. K. A. Ngoi提出了共光路自补偿式外差干涉仪，在整个光路中，测量光路和干涉光路平行经历相同的外界环境，两者感受的环境变化相同；在测量信号处理中，两者相减，有效消除了环境因素引起的外界误差。该系统应用于超精密加工机床反馈控制测量系统，实验结果表明在12h周期内，系统静态误差漂移减少了2.5倍。

激光外差干涉仪的发展趋势是超外差、共光路和采用光纤技术简化光路。在未来十年内，对激光外差干涉仪的发展需求是：①测量速度提高到±2.2m/s，这个目标是目前商业干涉仪速度的四倍；②位移分辨率达到±0.13nm，对应相位测量分辨率为0.7＂，比现有商业系统分辨率提高一个数量级；③多维测量，测量维数扩大到10～15个，各维之间采集数据延迟

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小于±0.2ns，以减少维间耦合误差的影响，这个指标比目前所有商业干涉仪提高了五倍。使商业干涉仪达到以上技术指标在理论上还具有很大的挑战性。中国航空研究院304所利用声光调制器和稳频He-Ne激光器获取频差小于200kHz的正交偏振双频激光束，X和Y向偏振干涉仪采用差分结构，已经探索研制出纳米级二维激光外差偏振干涉仪系统，测量范围50μm，分辨率0.5nm，在量程内测量不确定度为2nm。

10.5 结束语

1993年，因发明STM而获得诺贝尔奖的科学家罗雷尔博士曾写信给江泽民主席。他指出：“许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义。但我确信纳米科技已经具有与150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。不幸的是，目前对这一新领域持保留和怀疑态度的还大有人在。我们应当记住，微米曾同样地被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米与牛和耕犁毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。”罗雷尔博士的话精辟地阐述了纳米科技对社会的发展将要起的重要作用。扫描探针显微镜的发明推动了纳米测量技术的兴起，而纳米测量技术的发展和必将促进人类文明的进步。随着纳米技术的迅猛发展，纳米测量与定位技术将不断遇到新问题，并由此开拓新原理、新方法和新的应用。

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