一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)，屬薄膜測(cè)厚【技術(shù)領(lǐng)域】。包括ASE光源，波長解調(diào)儀、1*2耦合器、法珀腔干涉平臺(tái)及計(jì)算機(jī)等。其中1*2耦合器分別和ASE光源、波長解調(diào)儀及光纖準(zhǔn)直器相連，波長解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)相連；光纖準(zhǔn)直器、反射鏡固定在法珀腔干涉平臺(tái)上，光纖準(zhǔn)直器、反射鏡與固定在法珀腔干涉平臺(tái)的防震平臺(tái)上的壓塊自上而下處于同一垂直線上，該系統(tǒng)利用ASE光源的激光，由反射鏡面及光纖準(zhǔn)直器下端面返回的兩束反射光形成干涉，測(cè)出法珀腔腔長，在工件下面放薄膜后測(cè)出法珀腔腔長，兩次腔長的變化解析出薄膜的厚度。本實(shí)用新型系統(tǒng)構(gòu)造簡單，測(cè)量精度很高，比較容易實(shí)現(xiàn)，既能測(cè)量透明薄膜也可以測(cè)量不透明薄膜。
【專利說明】一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)。屬于光學(xué)薄膜測(cè)厚【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來，薄膜技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用范圍也涵蓋了工業(yè)，農(nóng)業(yè)，建筑，交通運(yùn)輸，醫(yī)學(xué)，天文學(xué)，軍事以及宇航等領(lǐng)域，光學(xué)薄膜的需求不斷增大，對(duì)器件特性的要求也越來越高。物理厚度是薄膜的基本參數(shù)之一，它會(huì)影響整個(gè)器件的最終性能，因此快速精確的測(cè)量薄膜厚度具有重要意義。
[0003]目前，基于光干涉法測(cè)量薄膜厚度主要有激光干涉法和白光干涉法。與激光光源相比，以白光為代表的寬光譜光源由于具有短相干長度的特點(diǎn)使得兩光束只有在光程差極小的情況下才能發(fā)生干涉，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾條紋。同時(shí)，由于白光干涉產(chǎn)生的干涉條紋具有明顯的零光程差位置，避免了干涉級(jí)次不確定的問題，可以解決單色光源干涉測(cè)量時(shí)帶來的雜光干擾的問題。因此白光干涉在干涉測(cè)量領(lǐng)域中的發(fā)展日益迅速。
[0004]然而普通的白光干涉儀主要是通過薄膜上下表面的反射光形成干涉，因此必須要求薄膜是透明的，極大地限制了其應(yīng)用范圍，而且成本較高，不利于大規(guī)模應(yīng)用。對(duì)于非透明的金屬薄膜，目前普遍采用的方法是串聯(lián)差分法。題目為‘基于白光干涉的金屬極薄帶測(cè)厚理論與系統(tǒng)研究’、作者為杜艷麗的浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，文中敘述到采用串聯(lián)差分白光干涉系統(tǒng)來測(cè)量不透明的金屬薄膜厚度。該系統(tǒng)利用光源發(fā)出的寬譜白光經(jīng)傳光光纖的傳輸，入射到Michelson干涉儀I，經(jīng)立方分束棱鏡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干涉。然后干涉光再經(jīng)過傳輸光纖進(jìn)入Michelson干涉儀11，同樣，經(jīng)立方分束棱鏡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干涉，最后由光譜接收系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收記錄相干光的光譜數(shù)據(jù)，從而得到光強(qiáng)相對(duì)波長的分布信息，該數(shù)據(jù)信息最終被送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析運(yùn)算，可以求得金屬薄膜厚度。此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不透明薄膜的厚度測(cè)量，但是該方法需要用到兩組邁克爾遜干涉儀，成本太高，方法復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述已有技術(shù)中存在的缺陷和不足，以實(shí)現(xiàn)透明與不透明薄膜的厚度測(cè)量，本實(shí)用新型提出了一種利用光纖準(zhǔn)直器將激光器輸出的光垂直打到反射鏡面，從而在準(zhǔn)直器端面和反射鏡面中間形成法珀腔，使準(zhǔn)直器下表面反射的光與反射鏡面反射的光形成干涉的系統(tǒng)，即一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是按以下形式實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)，包括ASE光源、波長解調(diào)儀、1*2耦合器、計(jì)算機(jī)、光纖準(zhǔn)直器和法珀腔干涉平臺(tái)，其特征在于1*2耦合器的I號(hào)端口接ASE光源；1*2耦合器的2號(hào)端口接波長解調(diào)儀，波長解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)相連；1*2耦合器的3號(hào)端口接光纖準(zhǔn)直器，光纖準(zhǔn)直器固定在法珀腔干涉平臺(tái)上；法珀腔干涉平臺(tái)包括反射鏡，防震平臺(tái)、兩根支撐桿和兩根固定桿，右支撐桿固定在防震平臺(tái)的邊沿上且與防震平臺(tái)相垂直，兩根固定桿一端帶有固定夾，另一端帶有套筒，套筒套在右支撐桿上并能沿右支撐桿上下移動(dòng)，固定桿的套筒上帶有緊固螺絲，通過緊固螺絲能將固定桿固定在右支撐桿上；光纖準(zhǔn)直器由上固定桿上的固定夾固定，并由上固定桿將其固定在法珀腔干涉平臺(tái)的右支撐桿上，反射鏡由下固定桿上的固定夾固定，并由下固定桿將其固定在法珀腔干涉平臺(tái)的右支撐桿上；防震平臺(tái)上放置中間有通透圓孔的長方體形的鐵制壓塊，壓塊上的圓孔和其上端固定在兩固定桿上的光纖準(zhǔn)直器及反射鏡處于同一垂直線上，壓塊與反射鏡通過一個(gè)左支撐桿相連，使得壓塊與左支撐桿和反射鏡能整體垂直移動(dòng)，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(tái)的中間，由于光纖準(zhǔn)直器下表面到防震臺(tái)上表面的距離固定，力口入薄膜使得反射鏡面與光纖準(zhǔn)直器的距離(即為法珀腔腔長)減小，進(jìn)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(diào)儀為Bayspec公司生產(chǎn)的，波長精度為30pm，光譜解調(diào)精度為
0.lnm。
[0010]所述的光纖準(zhǔn)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(tǒng)進(jìn)行薄膜厚度測(cè)量的方法，步驟如下:
[0013]I)連接系統(tǒng)，ASE光源輸出端口連接1*2耦合器的I號(hào)端口 ；1*2耦合器的2號(hào)端口連接波長解調(diào)儀，波長解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)相連；1*2耦合器的3號(hào)端口連接光纖準(zhǔn)直器；
[0014]2)開啟系統(tǒng)，打開光源和解調(diào)的按鈕，上下調(diào)整套筒的位置，使得由ASE光源輸出的光經(jīng)光纖準(zhǔn)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(jīng)反射鏡面反射回光纖準(zhǔn)直器的光，與另一部分直接由光纖準(zhǔn)直器下端面反射回去兩束反射光在光纖準(zhǔn)直器內(nèi)形成干涉光，其光強(qiáng)可以表示為:


Att η
[0016]/r=2i?[l-cos(——L)]!{)(I)

λ
[0017]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(qiáng)，η為空氣折射率；


in I
[0018]4)當(dāng)法?白腔腔長L和波長λ滿足關(guān)系:[=(;+ $7)人.,時(shí)，光強(qiáng)IrX λ )取得極大 ,,m、.值，當(dāng)(I)、時(shí)，光強(qiáng)Lu)取得極小值，其中m表示干涉級(jí)次；當(dāng)法珀腔腔長一定時(shí)系統(tǒng)輸出光強(qiáng)隨波長的分布呈近似余弦分布；若干涉條紋的第m級(jí)和第m+q(q = 1，2，3、、、)級(jí)極大值對(duì)應(yīng)的波長分別為Am，，則由以上分析可知:
[0019]L - (-— + -—)λιν( U )

2/7 4/7
[0020]L — { ^q=l，2，3、、、(3)
2/7 4n
[0021]將上兩次聯(lián)解，即可求出法珀腔腔長值L:
[0022]L = ^( λ"Ι+\'" ) q=l，2,3、、、14)
2n K~K+q
[0023]5)抬起壓塊，將薄膜加入壓塊與防震臺(tái)中間，測(cè)得加入薄膜后的法珀腔腔長L’，則薄膜的厚度d = L’ -L。
[0024]本實(shí)用新型方法的工作原理是利用光纖準(zhǔn)直器將激光器輸出的光與反射鏡面垂直，從而在準(zhǔn)直器端面和反射鏡面中間形成法珀腔，使準(zhǔn)直器下表面反射的光與反射鏡面反射的光形成干涉，從而通過波長解調(diào)儀解調(diào)出干涉光隨波長的強(qiáng)度變化，再通過相位解調(diào)算法，求得無薄膜的法珀腔的腔長，之后在壓塊下面放上薄膜，抬高反射鏡，縮短反射鏡到準(zhǔn)直器的距離，改變法珀腔的腔長，求得加入薄膜后法珀腔的腔長，沒有加入和加入薄膜的兩個(gè)腔長的差值即為薄膜的厚度，從而實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的測(cè)量。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):實(shí)現(xiàn)了透明與不透明薄膜的厚度測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)高精度的厚度測(cè)量，設(shè)備簡單，成本較低，比較容易實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本實(shí)用新型寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]其中:1為ASE光源，2為1*2耦合器I號(hào)端口，3為1*2耦合器，4為耦合器3號(hào)端口，5為法珀腔干涉平臺(tái)，6為1*2耦合器3的2號(hào)端口，7為波長解調(diào)儀，8為計(jì)算機(jī)。
[0027]圖2是本實(shí)用新型法珀腔干涉平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]其中:9為光纖準(zhǔn)直器，10為上固定桿，11為右支撐桿，12為套筒，13為反射鏡，14為下固定桿，15為左支撐桿，16為壓塊，17為防震平臺(tái)。

【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，但不限于此。
[0030]實(shí)施例:
[0031]本實(shí)用新型實(shí)施例如圖1、2所示，一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)，包括ASE光源1、波長解調(diào)儀7、1*2耦合器3、計(jì)算機(jī)、光纖準(zhǔn)直器9和法珀腔干涉平臺(tái)5，其特征在于1*2耦合器3的I號(hào)端口 2接ASE光源I ; 1*2耦合器3的2號(hào)端口 6接波長解調(diào)儀7，波長解調(diào)儀7與計(jì)算機(jī)8相連；1*2耦合器3的3號(hào)端口 4接光纖準(zhǔn)直器9，光纖準(zhǔn)直器9固定在法珀腔干涉平臺(tái)5上；法珀腔干涉平臺(tái)5包括反射鏡13，防震平臺(tái)17、兩根支撐桿
11、15和兩根固定桿10、14，右支撐桿11固定在防震平臺(tái)17的邊沿上且與防震平臺(tái)17相垂直，兩根固定桿10、14 一端帶有固定夾，另一端帶有套筒，套筒套在右支撐桿11上并能沿右支撐桿11上下移動(dòng)，固定桿的套筒上帶有緊固螺絲，通過緊固螺絲能將固定桿10、14固定在右支撐桿11上；光纖準(zhǔn)直器9由上固定桿10上的固定夾固定，并由上固定桿10將其固定在法珀腔干涉平臺(tái)5的右支撐桿11上，反射鏡13由下固定桿14上的固定夾固定，并由下固定桿14將其固定在法珀腔干涉平臺(tái)5的右支撐桿11上；防震平臺(tái)17上放置中間有通透圓孔的長方體形的鐵制壓塊16，壓塊16上的圓孔和其上端固定在兩固定桿10、14上的光纖準(zhǔn)直器9及反射鏡13處于同一垂直線上,壓塊16與反射鏡13通過一個(gè)左支撐桿15相連，使得壓塊16與左支撐桿15和反射鏡13能整體垂直移動(dòng)，反射鏡13水平放置，抬起壓塊16，即可將薄膜放入壓塊16與防震平臺(tái)17的中間，由于光纖準(zhǔn)直器9下表面到防震臺(tái)17上表面的距離固定，加入薄膜使得反射鏡13的鏡面與光纖準(zhǔn)直器9的距離(即為法珀腔腔長)減小，進(jìn)而改變法珀腔的腔長。
[0032]所述的ASE光源為1520-1570nm寬光譜光源，輸出功率為15mw。
[0033]所述的波長解調(diào)儀為Bayspec公司生產(chǎn)的，波長精度為30pm，光譜解調(diào)精度為
0.lnm。
[0034]所述的光纖準(zhǔn)直器為中心波長為1550nm,工作距離為50mm,最大回波損耗為50db。
[0035]所述的反射鏡面為全反鏡面。
【權(quán)利要求】
1.一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)，包括ASE光源、波長解調(diào)儀、1*2耦合器、計(jì)算機(jī)、光纖準(zhǔn)直器和法珀腔干涉平臺(tái)，其特征在于1*2耦合器的I號(hào)端口接ASE光源；1*2耦合器的2號(hào)端口接波長解調(diào)儀，波長解調(diào)儀與計(jì)算機(jī)相連；1*2耦合器的3號(hào)端口接光纖準(zhǔn)直器，光纖準(zhǔn)直器固定在法珀腔干涉平臺(tái)上；法珀腔干涉平臺(tái)包括反射鏡，防震平臺(tái)、兩根支撐桿和兩根固定桿，右支撐桿固定在防震平臺(tái)的邊沿上且與防震平臺(tái)相垂直，兩根固定桿一端帶有固定夾，另一端帶有套筒，套筒套在右支撐桿上并能沿右支撐桿上下移動(dòng)，固定桿的套筒上帶有緊固螺絲，通過緊固螺絲能將固定桿固定在右支撐桿上；光纖準(zhǔn)直器由上固定桿上的固定夾固定，并由上固定桿將其固定在法珀腔干涉平臺(tái)的右支撐桿上，反射鏡由下固定桿上的固定夾固定，并由下固定桿將其固定在法珀腔干涉平臺(tái)的右支撐桿上；防震平臺(tái)上放置中間有通透圓孔的長方體形的鐵制壓塊，壓塊上的圓孔和其上端固定在兩固定桿上的光纖準(zhǔn)直器及反射鏡處于同一垂直線上，壓塊與反射鏡通過一個(gè)左支撐桿相連，使得壓塊與左支撐桿和反射鏡能整體垂直移動(dòng)，反射鏡水平放置。
2.如權(quán)利要求1所述的一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)，其特征在于所述的ASE光源為1520-1570nm寬光譜光源，輸出功率為15mw。
3.如權(quán)利要求1所述的一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)，其特征在于所述的波長解調(diào)儀為Bayspec公司生產(chǎn)的,波長精度為30pm,光譜解調(diào)精度為0.lnm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖準(zhǔn)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(quán)利要求1所述的一種寬光譜光干涉法測(cè)量薄膜厚度的系統(tǒng)，其特征在于所述的反射鏡面為全反鏡面。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK203940836SQ201420343105
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】賈傳武, 常軍, 姜浩, 王宗良, 王強(qiáng), 田長彬 申請(qǐng)人:山東大學(xué)