隨著智能制造技術(shù)的不斷深入，在許多應(yīng)用中，厚度測量的能力至關(guān)重要，從實(shí)驗(yàn)室到在線環(huán)境中，要求設(shè)備具備實(shí)時(shí)模式測量功能。目前厚度測量方法很多，其中以激光干涉儀的精度為突出，是微納位移測量的佳選。按照技術(shù)路線不同，光學(xué)測量又分高相干激光測量-雙波長超外差探測1，和低相干干涉測量兩大類。低相干干涉術(shù)（LCI）是***種基于白光干涉術(shù)的測量技術(shù)，使用低相干光源來獲得高度準(zhǔn)確的距離測量。隨著工業(yè)環(huán)境中要求堅(jiān)固、準(zhǔn)確、用戶友好和高精度儀器的需求，Eastman Kodak的Marcus等人對低相干干涉儀進(jìn)行了早期研究，用于各種工業(yè)應(yīng)用，包括涂層料的液體層厚度監(jiān)測、膠片基底厚度均勻性、數(shù)碼相機(jī)焦點(diǎn)評估、光學(xué)單元路徑長度評估以及CCD成像儀和晶片表面輪廓測繪。第***代儀器是采用自相關(guān)器配置的邁克爾遜干涉儀。由直流電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械組件通過使干涉儀臂中的回復(fù)反射器往復(fù)運(yùn)動來產(chǎn)生路徑長度變化。為了提高測量精度，使用基于激光源的第二干涉儀實(shí)現(xiàn)，該激光源與低相干干涉儀具有相同的光學(xué)路徑。使用頻率穩(wěn)定的氦氖激光器產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉條紋信號，作為數(shù)據(jù)采集的參考“時(shí)鐘”。該“時(shí)鐘”沿路徑長度變化以恒定間隔產(chǎn)生觸發(fā)信號。

下***代的干涉儀分別用壓電陶瓷（PZT）光纖拉伸器和1550nm分布反饋（DFB）的半導(dǎo)體激光器取代了電機(jī)驅(qū)動的光學(xué)器件和氦氖激光器。此系統(tǒng)中，干涉儀沒有運(yùn)動部件，使用了壽命長、可靠性高的電信***組件。低相干和高相干干涉測量之間的差異如圖1所示。典型邁克爾遜干涉儀的干涉信號表示為

其中Er和Es是干涉光場，Id是探測器處的強(qiáng)度，Ir和Is是干涉光束的平均強(qiáng)度。方程中的第二項(xiàng)，稱為歸***化自相關(guān)函數(shù)，表示在探測器處觀察到的強(qiáng)度變化的幅度。該項(xiàng)取決于樣品和參考臂之間的光程差τ。在激光等高相干光源的情況下，合成強(qiáng)度隨路徑長度差的變化呈正弦曲線，如圖1左上所示。然而，隨著相干度的降低，強(qiáng)度變化的幅度減小，并且只有當(dāng)兩個(gè)臂的路徑長度緊密匹配時(shí)，即τ接近零時(shí)，才會觀察到強(qiáng)度變化。

圖1：邁克爾遜干涉儀

強(qiáng)度變化作為路徑長度差的函數(shù)，呈現(xiàn)出圖1左下角所示的形式。當(dāng)路徑長度差較大時(shí)，沒有觀察到強(qiáng)度的變化。強(qiáng)度變化的幅度隨著路徑長度差的減小而增加，當(dāng)路徑長度完全相等時(shí)，即τ=0，出現(xiàn)***大值。換句話說，在探測器上觀察到的強(qiáng)度變化是由包絡(luò)函數(shù)調(diào)制的，其寬度由源的相干性決定。

圖2顯示了透明樣品兩個(gè)表面反射產(chǎn)生的兩個(gè)波包，***個(gè)來自表面1，另***個(gè)來自面2。第二波分組相對于第***分組延遲了光學(xué)厚度（OPL）。樣品的光學(xué)厚度（OPL）可以表示為

圖2：與樣品相互作用后的光傳播圖

其中t是樣品的物理厚度，c是真空中的光速，Vg是波包的群速度。群速度定義為ω/k，角頻率ω的微分變化，作為波數(shù)k的函數(shù)。可以證明，在色散介質(zhì)中，群速度變?yōu)?/p>

其中Vp是相速度，np是相指數(shù)。然后，將組索引ng定義為

因此，使用方程式（2）和（4），OPL可以表示為

兩個(gè)反射波包與相干源的光共同傳播，然后輸入干涉儀。

圖3是全光纖干涉儀的光路框圖。干涉儀執(zhí)行的輸入信號自相關(guān)產(chǎn)生的干涉圖如圖所示。通過在50/50分束器處生成兩個(gè)相同的輸入信號來執(zhí)行自相關(guān)。兩束光進(jìn)入干涉儀的兩個(gè)臂，從鏡子反射，并在分束器處重新組合以相互干涉。兩個(gè)光束所遇到的光程長度的差異由涉儀臂的長度決定。通過同步掃描鏡子，以周期性的方式調(diào)整臂長，使得***個(gè)臂的臂長增加，另***個(gè)臂相應(yīng)減少。低相干自相關(guān)顯示出三個(gè)峰值，這是掃描鏡三種不同配置的結(jié)果。當(dāng)干涉儀的臂具有相等的路徑長度時(shí)，會出現(xiàn)干涉。在這種情況下，來自樣品的反射波包在通過干涉儀傳播后會相互干擾（即來自Arm 1的波包1會與來自Arm 2的包1發(fā)生干涉，來自Arm1的波包2會與來自Arm 2的包2發(fā)生干涉）。移動掃描臂時(shí)，干涉儀臂中的路徑長度變得不匹配，由于源的低相干性，條紋可見度降低。它***終達(dá)到零，直到路徑長度變化等于樣品厚度的OPL。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，另***個(gè)條紋可見度峰值被檢測為弱條紋。這種情況在干涉儀的兩種不同配置中實(shí)現(xiàn)，每種配置都會產(chǎn)生弱條紋。當(dāng)來自臂1的波包1與來自臂2的波包2發(fā)生干涉時(shí)，就會實(shí)現(xiàn)這種情況，反之亦然。

圖3：兩個(gè)光源信號的自相關(guān)

通過在50/50分路器，并送入掃描干涉儀的兩個(gè)臂。PZT光纖拉伸器用于干涉儀的路徑長度掃描。這些光纖拉伸器是大約10米長的單模光纖，包裹在壓電陶瓷圓柱體上。向壓電晶體施加高壓波形會改變PZT晶體的物理尺寸，進(jìn)而導(dǎo)致光纖內(nèi)的光程長度變化。在全電壓下，每個(gè)PZT可以將光纖“拉伸”到4.5毫米，相當(dāng)于大約6.5毫米的光路長度變化。干涉儀的每個(gè)臂上都有兩個(gè)光纖拉伸器，以“推拉”配置運(yùn)行。***個(gè)PZT的電壓波形與另***個(gè)PZT波形相位相差180°。根據(jù)每個(gè)臂的相對路徑長度，干涉儀可以在每次電壓掃描中執(zhí)行兩次光學(xué)掃描，或者掃描兩次光學(xué)拉伸。在后***種增加拉伸的模式下，路徑長度變化可以加倍到大約13mm的光路長度，從而能夠測量更厚的樣品。

離開光纖展寬器的光被法拉第鏡反射回展寬器，再次穿過展寬器（法拉第鏡是被動器件，反射相對于輸入光偏振旋轉(zhuǎn)變化90°的光，與初始偏振態(tài)無關(guān)）。為了使干涉信號的條紋可見度***大化，返回光束的偏振態(tài)須相同。已經(jīng)表明，光纖展寬器會引起靜態(tài)和動態(tài)雙折射，從而破壞偏振態(tài)。12法拉第鏡通過執(zhí)行相位共軛來補(bǔ)償光纖展寬器中動態(tài)彎曲引起的雙折射，有助于大限度地提高條紋可見度。每只手臂上匹配的擔(dān)架的抵消效應(yīng)降低了靜態(tài)雙折射。光通過50/50分光器離開干涉儀。兩個(gè)干涉信號，***個(gè)由SLED產(chǎn)生，另***個(gè)由激光器產(chǎn)生，由WDM（圖中的WDM 2）分離。來自SLED和激光器的條紋信號由不同的光電二極管檢測。激光器產(chǎn)生的信號由過零檢測電路處理，該電路產(chǎn)生脈沖，用于“計(jì)時(shí)”低相干源產(chǎn)生的信號的模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。***旦低相干條紋信號被數(shù)字化，它就會在軟件中解調(diào)，并實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示光學(xué)厚度。

(文章來源于儀器網(wǎng))