利用光频梳提高台阶高度测量准确度的方法.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vol,61，No．10(2012)100601利用光频梳提高台阶高度测量准确度的方法术张继涛十吴学健李岩尉昊赞(清华大学精密仪器与机械学系，精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084)(2011年8月18日收到；2011年10月8日收到修改稿)提出一种利用光频梳和可调谐半导体激光器提高台阶高度测量准确度的方法．通过将可调谐激光器锁定至光频梳，可对激光器的输出波长进行精确锁定与测量．基于可调合成波长链原理，利用锁定后的半导体激光器构建了一套台阶高度测量方案，该方案可消除

2、合成波长误差对台阶高度测量不确定度的影响．采用一台可调谐半导体激光器和光频梳进行了5000S的连续锁定实验，结果表明，锁定后的可调谐半导体激光器的频率稳定度达1．8×1O。．该方法的理论测量不确定度约为7．9am，且测量结果可溯源至时间频率基准．关键词：台阶高度，光频梳，可调谐半导体激光器，合成波长PACS：06．30．Bp，07．60．Ly，81．70．Fy，06．20．-fl引言构建合成波长链，但由于激光器只能输出某些特定的波长，因此难以构建合适的合成波长，从而限制台阶高度测量是纳米技术领域重要的研究方了应

3、用范围．本实验室曾提出一种基于可调合成波向之一，研究可以溯源的台阶高度测量方法并参与长链原理进行台阶高度测量的方案[10_，该方案通国际比对也是建立我国纳米量值溯源体系的迫切过可调谐半导体激光器(TDL)输出多个波长，并构需要．通常待测的台阶高度为几百微米，甚至达到建出一系列可调合成波长链，可在毫米量级的测量毫米量级，同时要求测量分辨率达到纳米量级．基范围内实现纳米量级的测量不确定度．然而，TDL于光学原理实现的测量方法因具有非接触、无破的可调谐特性对测量的不利影响也是显而易见的．坏的特点而经常被应用于台阶测量

4、．常见的测量一方面，合成波长法要求所使用的波长具有较高的方法包括增量式干涉测量、干涉显微镜、光学探波长稳定度，但TDL自身的波长稳定度往往较差，针、绝对距离干涉测量等[14]．其中增量式干涉测通常需要将其锁定至外部参考源(如稳频激光器，量只能对高度在1／2波长范围内的台阶进行测量，Fabry—Perot标准具等)进行稳频．由于外部参考源难以满足一般的台阶测量要求；光学探针尽管测量的带宽有限，TDL无法在整个调谐范围内实现锁精度很高，但测量速度较慢，效率不高；干涉显微镜定，这实际上大大限制了TDL的有效调谐范围．

5、另综合了干涉仪和显微镜的优点，可用于直接观察待一方面，该方法需要预先测得波长值作为测量的输测表面，但由于测量范围通常仅限于波长量级，最入参数，通常使用波长计测量TDL的输出波长，但大也只有微米量级，因此仅适用于表面形貌的分析；目前波长计的相对测量不确定度仅约为J0_。，使得而合成波长原理实现的绝对距离干涉测量方法具波长测量误差成为合成波长法的最大误差源之一，有测量范围大、测量精度高、无需导轨、测量结限制了台阶高度测量准确度[11】．果可溯源等优点，与台阶高度的测量需求非常契合，飞秒光学频率梳(简称“光频梳”)是

6、一种新的因而被广泛研究[5-9]．早期的合成波长法主要使用光源，具有其他传统连续波稳频激光光源不可比拟多支激光器的单个波长或单支激光器的多个波长的优点：1)输出光谱范围覆盖可见光与近红外区国家自然科学基金青年基金(批准号：51105227)和清华大学自主科研计划(批准号：2009THZ06057)资助的课题．十E—mail：zjt@mail．tsinghua．edu．cn@2012中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb·iphy·ac·cn物理学报ActaPhys．S

7、in．Vo1．61，No．10(2012)100601域，超过一个光学倍频程；2)可输出数十万个稳定度为d，则有的、等间隔的光学频率70；3)它类似光学齿轮，可2d=t(?hi+Ci)，(1)把难以直接测量的光学频率分频到较易测量的微其中，是TDL的第i个调谐波长，m和￡i是对波频率上，测量结果可溯源至时间频率基准[t2-t5]．应的干涉级次的整数和小数部分．基于光频梳的上述特点，本文提出了利用锁定至光若连续调谐TDL输出Ⅳ+1个工作波频梳的TDL进行台阶高度测量的方法，该方法可长1，A2，⋯，Ⅳ+1，根据可调

8、合成波长链的原理，解决基于TDL的合成波长台阶高度测量方法存在可以构建Ⅳ个合成波长链1，A2，⋯，Ⅳ，其中的问题，消除测量中的最大误差源之一，从而有效÷=÷一_．(i=1，⋯，Ⅳ)，(2)提高台阶高度测量的准确度．AsiAiAi+1且sl>s2>···>sⅣ>0．根据(1)和(2)式，在实际测量过程中，由于前2测量原理级合成波长的测量范围大于后级，因此可将前级的2．1可调合成波长链测量