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40年坚持,打通双折射双频激光器及干涉仪全技术链条
发布时间:2022-12-19浏览次数:50

导读

        双频激光干涉仪是先进制造业、半导体芯片制造等行业不可或缺的纳米精度的尺子,应用广泛。张书练教授团队(先清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,后镭测科技有限公司),以解决双频激光干涉仪关键技术为线,经近40年坚韧攀登,研究完成了“可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双折射双频激光干涉仪”的全链条技术,并批产。该技术开国内可伐-玻璃组装式氦氖激光器之先,吹制工艺或成历史。开国内外应力激光腔镜产生双频激光之先,解大频差和高功率不可得兼之难,频率差可以在1~40 MHZ范围选择而功率大于1 mW。双折射双频激光干涉仪测量70 m长度误差小于5 μm,非线性误差小于1 nm,测量速度高于3 m。

1.研究背景

激光干涉仪是当今纳米时代的长度基准,也是先进制造业(机床、光刻机,航空、航天等)制造的精度保证。制造精度和生产效率越来越高,对激光干涉仪的测量精度和测量速度提出了更高的要求。

激光干涉仪的“激光”是(HeNe)氦氖激光器,至今无可替代。传统HeNe双频激光干涉仪存两个难点,成为瓶颈:1)国内外,我们之前,双频激光器靠塞曼效应产生两个频率,频率之差小(在3 ~ 5 MHz之间),频差越大激光功率越小,不能满足光刻机等应用的更大频率差要求(如10、20、40 MHz),频率差大,测量速度高,效率高;2)不论是单频还是双频激光干涉仪,国产还是外购,各型号都有几纳米甚至十几纳米的非线性误差,一直没有找到解决办法。

通常,在单频激光器的光增益路径上加磁场后(塞曼效应)就变成双频激光器。可是,相当长的期间,购买到的大部分单频激光器因为常出现跳模,用于单频激光干涉仪时淘汰率很高,此外,加上磁场后单频并不呈现双频,双频激光干涉仪难有好的光源。

经近40年坚持,研究打通了单频氦氖激光器→双折射双频激光器→双频激光干涉仪的全技术链条,批产,获得了广泛应用和认可。

双折射双频激光器及干涉仪的关键和全链条技术

2.1 双折射双频激光器。

置晶体石英片(图1a中的Q双面增透)或有内应力的玻璃元件(图1b中的M2右表面镀反射膜)于激光器谐振腔内,这些元件的双折射使激光频率分裂,一个频率分裂成两个频率,两个频率的偏振方向互相垂直(正交偏振)。反复实验证明,激光器可输出频率差大于但不能小于40 MHz两个频率。

如果频率差稍大于40 MHz,在改变(调谐)激光频率谐振腔长(即用压电陶瓷1纳米一步“距”的推动M2改变激光谐振腔长)过程中看到的是一个频率振荡会陡然变成两个频率振荡,而前者功率陡然下降一半,刚升起的频率则获得同样的功率。继续调谐腔长,最早振荡的频率会陡然消失,而后起振的频率功率升高到最大。

如果频率差小于40 MHz,两频率则有你无我。图2示出了频率差20 MHz时o光和e光的光强度此长彼消得过程。理论和实验一致。

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图1 激光频率分裂原理图。(a)晶体石英片Q于激光谐振腔内,(b)激光输出镜为M2右表面,对M2加力使激光反射镜内产生应力
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图2 频差20 MHz时的强烈模竞争。激光强度随腔长调谐(改变)的实验曲线。理论和实验一致


图3给出了两个频率的频率差多大时,在频率轴上两个频率的共存区的宽度,也即两个频率差大小对应的共存频域宽度。曲线最左侧可见,在约40 MHz时,共存宽度迅速下降趋于0 Hz,也即小于40 MHz时,两频率之一熄灭,频率差消失。


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图3 实验测得的两个频率共存的频域宽度和激光频率差的关系

2.2 双折射-塞曼双频激光器。

塞曼双频激光器的频率差一般在5 MHz以下,功率随频率差增大而减小,7 MHz时的激光功率仅0.2 mW以下。作者团队研发的双折射双频激光器频率差大于40 MHz,研制成的双折射-塞曼双频激光器可以输出百KHz到几十MHz的频率差,而功率不因频率差增大而改变,可以达到1.5 mW。

双折射-塞曼双频激光器包括两项关键技术,先由双折射造成激光器频率分裂,决定了激光器输出为两个偏振正交频率以及它们的间隔(频率差)的大小。再因激光器上加了横向磁场,横向塞曼效应使增益原子分成两群——π群和σ群。π群和σ群光子的偏振对应双折射互相垂直的主方向,也即正交偏振的光“各吃各粮”,它们之间的相互竞争不存在了,无论频率差大小都能振荡。频率差可以是3、5、7、10、20、40 MHz或更大。

2.3 内雕应力双折射-塞曼双频激光器。

提出了“内雕应力”的概念和产生双频的原理,即用窄脉冲激光器对激光腔镜表面或基片内部造孔(或穴),造成激光腔镜内的应力精确改变(图4所示),“雕刻”提高了频率差的控制精度。

“内雕应力”双折射双频激光器不仅用于国产双频激光干涉仪,也用于运行中的光刻机的激光器替换。同时,提供了科研单位的科学研究。该激光器替换正在服役的光刻机的原有激光器,使光刻机机台误差由24 nm下降到6 nm。

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图4 内雕应力双折射-塞曼双频激光器。M2内部雕刻出的孔造成激光器的双频,磁条PMF1和PMF2消除激光器强模竞争

2.4 可伐-玻璃组装式(无吹制)双频激光器。

国内,研制生产HeNe激光器历史很长,但我国一直靠吹制工艺制造氦氖激光器,而且不能制造可伐-玻璃组装式氦氖激光器。北京镭测科技有限公司研制成可伐-玻璃组装式单频氦氖激光器,功率大于1 mW,满足单频和双频激光器的需求。同时,这一技术将使整个国产氦氖激光器告别吹制,进入一个新的技术高度(如图5所示)。

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图5 可伐-玻璃组装内雕应力双频激光器(镭测科技提供)

2.5 研制成的双频激光干涉仪技术指标。

作者强调的是,我们有了可伐-玻璃组装式激光器和双折射(内应力)-塞曼双频激光器,双频激光干涉仪有了强力的“心脏”,有了自主可控的基础。团队又全面设计干涉仪的光、机、电、算。时至今日,可伐-玻璃组装式双折射(-塞曼)双频激光器(非吹制)和干涉仪已批量生产,正在满足科学研究和产业的需求。

中国计量科学院对双折射-塞曼双频激光干涉仪的测试结果:频率稳定度为10-8,分辨力为1 nm,非线性误差小于1 nm(图6所示),12小时漂移35 nm(图7所示),70 m长度测量误差小于5 μm。这些数据来自中国计量科学院测试证书:CDjx 2014-2352, CDjx 2018-4810, CDjx 2020-04463等。

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图6 双频激光干涉仪非线性误差
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图7 双折射-塞曼双频激光干涉仪12小时零点漂移


展望


在实现“可伐-玻璃组装式激光器”→“内雕应力双折射-塞曼双频激光器”→“双折射-塞曼双频激光干涉仪”全链条技术基础上,进一步发展各种规格的可伐-玻璃组装式激光器,以开拓双折射-塞曼双频激光干涉仪的应用深度和应用范围。





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