一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統的製作方法
2023-07-17 23:48:16 1
一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統的製作方法
【專利摘要】一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統，屬薄膜測厚【技術領域】。包括ASE光源，波長解調儀及法珀腔幹涉平臺等。該系統利用光纖準直器將雷射器輸出的光垂直打到反射鏡面，從而在準直器端面和反射鏡面中間形成法珀腔，使兩束反射光形成幹涉，從而通過波長解調儀解調出幹涉光的強度變化，再通過相位解調算法，求得沒有加入薄膜時法珀腔的腔長，之後在工件下面放上薄膜，抬高反射鏡，縮短反射鏡到準直器的距離，改變法珀腔的腔長，求得加入薄膜後法珀腔的腔長，沒有加入和加入薄膜的兩個腔長的差值即為薄膜的厚度。本發明系統通過測量距離間接地求得薄膜的厚度，既能測量透明薄膜也可以測量不透明薄膜。該系統構造簡單，測量精度很高，比較容易實現。
【專利說明】一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統。屬於光學薄膜測厚【技術領域】。
【背景技術】
[0002]近幾十年來，薄膜技術發展迅猛，應用範圍也涵蓋了工業，農業，建築，交通運輸，醫學，天文學，軍事以及宇航等領域，光學薄膜的需求不斷增大，對器件特性的要求也越來越高。物理厚度是薄膜的基本參數之一，它會影響整個器件的最終性能，因此快速精確的測
量薄膜厚度具有重要意義。
[0003]目前，基於光幹涉法測量薄膜厚度主要有雷射幹涉法和白光幹涉法。與雷射光源相比，以白光為代表的寬光譜光源由於具有短相干長度的特點使得兩光束只有在光程差極小的情況下才能發生幹涉，因此不會產生幹擾條紋。同時，由於白光幹涉產生的幹涉條紋具有明顯的零光程差位置，避免了幹涉級次不確定的問題，可以解決單色光源幹涉測量時帶來的雜光幹擾的問題。因此白光幹涉在幹涉測量領域中的發展日益迅速。
[0004]然而普通的白光幹涉儀主要是通過薄膜上下表面的反射光形成幹涉，因此必須要求薄膜是透明的，極大地限制了其應用範圍，而且成本較高，不利於大規模應用。對於非透明的金屬薄膜，目前普遍採用的方法是串聯差分法。題目為『基於白光幹涉的金屬極薄帶測厚理論與系統研究』、作者為杜豔麗的浙江大學博士學位論文，文中敘述到採用串聯差分白光幹涉系統來測量不透明的金屬薄膜厚度。該系統利用光源發出的寬譜白光經傳光光纖的傳輸，入射到Michelson幹涉儀I，經立方分束稜鏡BS ;分出的兩束相干光分別由反射鏡MI和薄膜上表面反射回來形成第一次幹涉。然後幹涉光再經過傳輸光纖進入Michelson幹涉儀11，同樣，經立方分束稜鏡BS:分出的兩束相干光由反射鏡MZ和薄膜下表面反射回來形成第二次幹涉，最後由光譜接收系統實時接收記錄相干光的光譜數據，從而得到光強相對波長的分布信息，該數據信息最終被送入計算機進行數據處理，分析運算，可以求得金屬薄膜厚度。此系統可以實現不透明薄膜的厚度測量，但是該方法需要用到兩組麥可遜幹涉儀，成本太高，方法複雜，實現起來比較困難。
【發明內容】
[0005]為了克服上述已有技術中存在的缺陷和不足，以實現透明與不透明薄膜的厚度測量，本發明提出了一種利用光纖準直器將雷射器輸出的光垂直打到反射鏡面，從而在準直器端面和反射鏡面中間形成法珀腔，使準直器下表面反射的光與反射鏡面反射的光形成幹涉的系統，即一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統。
[0006]本發明的技術方案是按以下形式實現的:
[0007]—種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統，包括ASE光源、波長解調儀、1*2耦合器、計算機、光纖準直器和法珀腔幹涉平臺，其特徵在於1*2耦合器的I號埠接ASE光源；1*2耦合器的2號埠接波長解調儀，波長解調儀與計算機相連；1*2耦合器的3號埠接光纖準直器，光纖準直器固定在法珀腔幹涉平臺上；法珀腔幹涉平臺包括反射鏡，防震平臺、兩根支撐杆和兩根固定杆，右支撐杆固定在防震平臺的邊沿上且與防震平臺相垂直，兩根固定杆一端帶有固定夾，另一端帶有套筒，套筒套在右支撐杆上並能沿右支撐杆上下移動，固定杆的套筒上帶有緊固螺絲，通過緊固螺絲能將固定杆固定在右支撐杆上；光纖準直器由上固定杆上的固定夾固定，並由上固定杆將其固定在法珀腔幹涉平臺的右支撐杆上，反射鏡由下固定杆上的固定夾固定，並由下固定杆將其固定在法珀腔幹涉平臺的右支撐杆上；防震平臺上放置中間有通透圓孔的長方體形的鐵製壓塊，壓塊上的圓孔和其上端固定在兩固定杆上的光纖準直器及反射鏡處於同一垂直線上，壓塊與反射鏡通過一個左支撐杆相連，使得壓塊與左支撐杆和反射鏡能整體垂直移動，反射鏡水平放置，抬起壓塊，即可將薄膜放入壓塊與防震平臺的中間，由於光纖準直器下表面到防震臺上表面的距離固定，加入薄膜使得反射鏡面與光纖準直器的距離(即為法珀腔腔長)減小，進而改變法珀腔的腔長。
[0008]所述的ASE光源為1520-1570nm寬光譜光源，輸出功率為15mw。
[0009]所述的波長解調儀為Bayspec公司生產的，波長精度為30pm，光譜解調精度為
0.lnm。
[0010]所述的光纖準直器為中心波長為1550nm,工作距離為50mm,最大回波損耗為50db。
[0011]所述的反射鏡面為全反鏡面。
[0012]一種利用上述系統進行薄膜厚度測量的方法，步驟如下:
[0013]I)連接系統，ASE光源輸出埠連接1*2耦合器的I號埠 ；1*2耦合器的2號埠連接波長解調儀，波長解調儀與計算機相連；1*2耦合器的3號埠連接光纖準直器；
[0014]2)開啟系統，打開光源和解調的按鈕，上下調整套筒的位置，使得由ASE光源輸出的光經光纖準直器一部分垂直入射到反射鏡面；
[0015]3)入射到反射鏡面再經反射鏡面反射回光纖準直器的光，與另一部分直接由光纖準直器下端面反射回去兩束反射光在光纖準直器內形成幹涉光，其光強可以表示為:
[0016]
【權利要求】
1.一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統，包括ASE光源、波長解調儀、1*2耦合器、計算機、光纖準直器和法珀腔幹涉平臺，其特徵在於1*2耦合器的I號埠接ASE光源；1*2耦合器的2號埠接波長解調儀，波長解調儀與計算機相連；1*2耦合器的3號埠接光纖準直器，光纖準直器固定在法珀腔幹涉平臺上；法珀腔幹涉平臺包括反射鏡，防震平臺、兩根支撐杆和兩根固定杆，右支撐杆固定在防震平臺的邊沿上且與防震平臺相垂直，兩根固定杆一端帶有固定夾，另一端帶有套筒，套筒套在右支撐杆上並能沿右支撐杆上下移動，固定杆的套筒上帶有緊固螺絲，通過緊固螺絲能將固定杆固定在右支撐杆上；光纖準直器由上固定杆上的固定夾固定，並由上固定杆將其固定在法珀腔幹涉平臺的右支撐杆上，反射鏡由下固定杆上的固定夾固定，並由下固定杆將其固定在法珀腔幹涉平臺的右支撐杆上；防震平臺上放置中間有通透圓孔的長方體形的鐵製壓塊，壓塊上的圓孔和其上端固定在兩固定杆上的光纖準直器及反射鏡處於同一垂直線上，壓塊與反射鏡通過一個左支撐杆相連，使得壓塊與左支撐杆和反射鏡能整體垂直移動，反射鏡水平放置，抬起壓塊，即可將薄膜放入壓塊與防震平臺的中間。
2.如權利要求1所述的一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統，其特徵在於所述的ASE光源為1520-1570nm寬光譜光源，輸出功率為15mw。
3.如權利要求1所述的一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統，其特徵在於所述的波長解調儀為Bayspec公司生產的,波長精度為30pm,光譜解調精度為0.lnm。
4.如權利要求1所述的一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統，其特徵在於所述的光纖準直器為中心波長為1550nm,工作距離為50mm,最大回波損耗為50db。
5.如權利要求1所述的一種寬光譜光幹涉法測量薄膜厚度的系統，其特徵在於所述的反射鏡面為全反鏡 面。
6.一種利用權利要求1所述測量薄膜厚度的系統進行薄膜厚度測量的方法，步驟如下: 1)連接系統，ASE光源輸出埠連接1*2耦合器的I號埠；1*2耦合器的2號埠連接波長解調儀，波長解調儀與計算機相連；1*2耦合器的3號埠連接光纖準直器； 2)開啟系統，打開光源和解調的按鈕，上下調整套筒的位置，使得由ASE光源輸出的光經光纖準直器一部分垂直入射到反射鏡面； 3)入射到反射鏡面再經反射鏡面反射回光纖準直器的光，與另一部分直接由光纖準直器下端面反射回去兩束反射光在光纖準直器內形成幹涉光，其光強可以表示為: /r =2i?[l-cos(—L)]/0(I)
λ 式中R為法珀腔反射率，λ為波長，L為法珀腔腔長，10為ASE光源輸出的光強，η為空氣折射率； 4)當法拍腔腔長L和波長λ滿足關係:L= (― + ~)\,時，光強Ir(X)取得極大值，
In 4/7當h= 時，光強U λ )取得極小值，其中m表示幹涉級次；當法珀腔腔長一定時系統輸出光強隨波長的分布呈近似餘弦分布；若干涉條紋的第m級和第m+q(q= 1，2，3、、、)級極大值對應的波長分別為Xm，Xm+(1，則由以上分析可知:
【文檔編號】G01B11/06GK104034272SQ201410290494
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】賈傳武, 常軍, 姜浩, 王宗良, 王強, 田長彬 申請人:山東大學