Лабораторная работа № 3 интерферометрические методы получения информации

Цель работы: изучение принципов построения, возможностей и особенностей применения приборов, использующих интерференцию когерентных пучков света.

Введение: Развивающаяся микроэлектронная промышленность переходит в нанометрическую область размеров элементов микросхем. И хотя прежние названия (микросхема и т.п.) сохраняются, от производственного оборудования требуется достижение цифр по точности и разрешению в десятки, единицы нанометров. Проекционные объективы фотолитографического оборудования практически с предельными возможностями перешли в область воспроизведения границ элементов в несколько десятков нанометров. При этом широко используются возможности поляризации, интерферометрии. Интерферометрия утверждается и в системах контроля перемещений узлов такого оборудования. Лазеры для интерферометрии имеют высокую стабильность частоты излучения и позволяют контролировать положение и перемещение с воспроизводимостью в единицы нанометров.

Описание стенда: Лабораторная работа выполняется на стенде нанометрии и фазовых портретов (СНФП) (рис.3.1.). Стенд собран на устройстве перемещения (каретка) с воздушной подушкой, обеспечивающей высокую стабильность траектории воспроизведения. Оптико-механический узел с интерферометром (рис. 3.2) построен с применением одночастотного лазера ЛГН-302.

Из описания лазера ЛГН–302 (www.plasmalabs.ru): Лазер газовый He–Ne непрерывного режима работы, работающий на двух ортогонально поляризованных одночастотных составляющих излучения, предназначен для использования в качестве источника когерентного излучения в интерферометрии, оптической локации, волоконной связи, технологических и лабораторных установках.

Режимы работы: I — ортогонально поляризованные одночастотные составляющие разделены в пространстве, II — ортогонально поляризованные одночастотные составляющие совмещены в пространстве, III — на выходе лазера толькоодна высокочастотная составляющая с вертикальным вектором поляризации. Частотная стабилизация осуществляется путем терморегулирования длины резонатора.

Таблица 3.1.

Параметры ЛГН-302
Длина волны, мкм	0.63
Спектральный состав	одночастотный
Мощность излучения, мВт, не менее	0.7
Диаметр пучка, мм, не более	0.8
Расходимость, мрад, не более	2.5
Относительная нестабильность мощности излучения за 8ч, %, не более	2
Относительная нестабильность оптической частоты не более	1.10-8

При выполнении работы используется только III-ий рабочий режим.

Конструкция интерферометра приведена на рис. 3.3.

Реализована схема интерферометра Майкельсона для измерения перемещений, ход лучей показан на рис.3.4.

Коллиматор позволяет уменьшить угловую расходимость лазерного излучения, обеспечивая постоянство диаметра интерферирующих пучков, конечно с определенны допуском.

Рис. 3.1 Состав стенда нанометрии и фазовых портретов (СНФП)

Рис. 3.2 Узел интерферометра

Отражатели выполнены в виде триппель призм, параметры которых приведены ниже. Одиночный фотоприемник позволяет контролировать движение каретки. Фаза гармонического сигнала пропорциональна величине перемещения. Период сигнала в 2π соответствует смещению каретки на λ/2, где λ – длина волны лазера в среде распространения (воздух).

Видеокамера позволяет видеть и регистрировать распределение поля интерференции при низкоскоростных смещениях каретки (практически до скоростей 1,5…2 мкм/с).

Рис. 3.3 Конструкция интерферометра

Рис. 3.4 Ход лучей в интерферометре

Рис. 3.5. Поляризация лучей при их прохождении в триппель призме и параметры коммерческих вариантов элементов

Состояние поляризации лучей для данных светоотражателей показано на рис. 3.5. Рисунок светоотражателей и их параметры приведены на рис. 3.6. и рис. 3.7.

Рис. 3.6. Светоотражатель рисунок эскизный	Рис. 3.7. Светоотражатель параметры

Рис. 3.8. Шаг интерференционной картины при сложении двух плоских фронтов

Интерференция пучков с плоским фронтом в простейшем случае представлена на рис. 3.8.

	Угол	tg приблизительно	H (λ=0.63мкм) мм
Угловая секунда	4.848*10^-6.	~ 0.000005	130
Угловая минута	2.909*10^-4	~ 0.0003	2.17
Градус	0.017	~ 0.017	0.036

Описанный стенд показывает и позволяет исследовать один из вариантов построения интерференционных систем. Однако при выполнении работы и подготовке ответов на вопросы необходимо понимать и различные варианты построения и возможности интерферометров.

Рис. 3.9. Согласование диаметров пучков	Рис. 3.10. Микроскоп

Для примера, на рис. 3.9 показано согласование диаметров пучков с уменьшением разности хода лучей для прецизионных датчиков линейного перемещения. На рис. 3.10 представлен микроскоп с оптическим вычитанием полей, смещенных вдоль хода объекта пучков.

На рис. 3.10а показан более сложный вариант построения фотоэлектрического микроскопа с использованием интерференции для оптического преобразования изображений. Пентапризма, входящая в состав интерферометра Маха–Цендера, поворачивает пучок на 90 и изменяет направление движения изображения в плоскости фотоприемника на противоположное. На оптической оси юстировкой добиваются сдвига фаз, равного 180, что уменьшает практически до уровня темного сигнал на однородном световом поле. При прохождении изображения границы объекта положения оптической оси, условия равенства световых сигналов нарушаются и сигнал возрастает.

Рис.3.10а. Схема микроскопа с интерферометром Маха – Цендера

Таких схем достаточно много и возможности применения интерферометрии не исчерпаны.

В лабораторной работе одиночный фотоприемник позволяет видеть волны вибраций стола без подачи воздуха, т. е. практически вдоль жесткого тела. На рис. 3.11 и рис. 3.12 показаны сигналы для двух значений одиночного возмущения. Веб-камера показывает, как интегральное интерференционное поле, так и раздельно (при перекрытии пучков) интерферирующие поля. Запись видео позволяет при скоростях смещения каретки “видеть” изменения фазового поля при скоростях смещения ниже 1 мкм/с. Цифра, конечно, условная и зависит от задаваемой точности и скорости съемки.

Рис. 3.11. Сигнал при смещении объекта на величину порядка 0.5 мкм	Рис. 3.12. Сигнал при смещении объекта на величину порядка 0.2 мкм

Обработка фильмов может производиться по миниатюрам (рис. 3.13 –опорный, рис. 3.14 –рабочий, рис. 3.15 –суммарный ).

Полученные миниатюры позволяют определить распределение сигналов по полю и усреднить для опорного и рабочего их значения по множеству кадров. Для суммарного сигнала определить состояние фазы и смещение рабочего отражателя.

Время съемки и количество кадров выбирать минимальным. Время съемки не более 5 секунд.

Видеофайлы можно обрабатывать различными программными пакетами. Каждое выбранный участок отобразит сигнал фазы подобно рис. 3.11.

Суммарный расчет по полю усреднит искомое значение смещения.

Рис. 3.13. Миниатюры с 16 кадров фильма от опорного сигнала ( )

Для анализа необходимо выбирать только одноименные ( ) участки прямоугольного поля, в которых величины опорного и рабочего сигнала превосходят уровень шума в несколько раз. В каждой точке

где , , значения опорного, рабочего и суммарного сигнала соответственно; , - длинны рабочего и опорных плеч интерферометра; - постоянная составляющая сдвига фаз в точке , обусловленная юстировкой и дефектами деталей схемы.

Получение 2 первых файлов изображений необходимо для вычисления достоверных значений , путем усреднения полученных сигналов по кадрам (при каждой фиксации один из интерферирующих пучков перекрыт).

Отсутствие интерференции приводит к постоянству сигналов по полю.

Вторая цель расчетов – сформировать маску для последующих расчетов фазы. У каждого из сигналов установите порог достоверности, например,

Рис. 3.14. Миниатюры с 16 кадров фильма от рабочего плеча интерферометра ( )

Рис. 3.15. Миниатюры с 64 кадров фильма от суммарного сигнала ( )

0.3 от его среднего значения в рабочей зоне. Вычислите маску, например, единичную по “И”, в которой оба сигнала достоверны и могут принять участие в расчетах.

Вычисление фазового портрета в пучке имеет свои особенности. Если речь идет о линейном смещении, то надо брать два кадра суммарного потока, достаточно близких по номеру (не желательно взаимное изменение фазы на π).

Влияние внешней среды на результат измерений: Распространение излучения рабочей ветви происходит, как правило, в воздухе. Приведенные в формуле длины плеч отличаются от геометрических

, где - длины участков ( ) плеча, - температура °С, - влажность газа на участке мм рт. ст, - давление газа мм рт.ст.

Для воздуха по эмпирической формуле Эдлена

,

где =0.63299140 длина волны неона в вакууме мкм, - переменная.

Рис. 3.16. Изменение показателя преломления воздуха от температуры и влажности

Рис. 3.17. Изменение показателя преломления воздуха от давления и влажности

Определение действительного значения длины волны лазерного излучения при измеренных условиях окружающей среды не представляет трудностей. Как видно, из рисунков 3.16 и 3.17 в рабочей точке сложные зависимости заменяются уравнениями плоскостей. Интерферометрические установки размещают, как правило, в климатических камерах.

Лабораторное задание: Изучить материалы к лабораторной работе, усвоив принципы формирования изображений в интерферометрах. Ознакомится с лабораторным стендом.

1. Прорисовать ход лучей в интерферометре.

2. Проанализировать ход лучей в пентапризме и призме двойного изображения.

3. Рассчитать угол схождения фронтов, считая фронт волны плоским при известном шаге интерферометрической картины.

4. Рассчитать влияние изменения условий воздушной среды на точность измерения. Задание получить у преподавателя.

5. Включить воздух. Проанализировать сигнал с фотоприемника вдоль хода каретки.

6. Построить график изменения амплитуды сигнала по ходу каретки.

7. Найти случайную составляющую погрешности измерения координаты, обусловленную электрическими шумами в точке максимума чувствительности схемы интерферометра с одним фотоприемником.

8. Стабилизировав каретку воздушного стола зафиксировать фильмы от опорного, рабочего и суммарного пучков.

Содержание отчета:

1. Схема интерферометра.

2. Ход лучей в призмах (п.2).

3. Величина угла схождения пучков.

4. Расчет влияния среды на результат измерения.

5. График изменения амплитуды сигналов вдоль траектории движения.

6. Величина погрешности измерения длины по шумам.

7. Результаты расчетов фазовых портретов по п.8 лабораторного задания.

Контрольные вопросы:

1. Схемы интерферометрических приборов.

2. Основные особенности применения интерферометрических приборов.

3. Компоненты интерферометрических приборов, требования к ним.

4. Показатели качества юстировки интерферометрических приборов.

5. Опишите участки предложенной схемы, укажите факторы, влияющие на результат измерения для каждого участка.

6. Расчет фазовых полей на матричных фотоприемниках