雙頻激光干涉儀的應(yīng)用研究綜述

于海嬌

（吉林建筑科技學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春，130114）

0 引言

隨著社會(huì)科技的飛速發(fā)展，我們對(duì)這個(gè)世界的探索從宏觀發(fā)展到微觀，觀測(cè)范圍也已經(jīng)到了納米量級(jí)。納米技術(shù)作為21世界最重要的科學(xué)技術(shù)之一，納米技術(shù)包括納米電子、納米材料、納米生物、納米制造、納米測(cè)量、納米物理、納米化學(xué)等諸多方面，在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。納米測(cè)量技術(shù)是納米技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，加工制造工藝的不斷提高，現(xiàn)代的許多高精尖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都需要對(duì)各種元器件進(jìn)行高精度的測(cè)量，都離不開納米測(cè)量技術(shù)，例如南極天文望遠(yuǎn)鏡、空間引力波探測(cè)裝置、極大規(guī)模集成電路制造裝備等[1]。

光學(xué)納米測(cè)量方法有很多種，例如雙頻激光干涉儀、P-E測(cè)量?jī)x干涉法、激光偏振干涉法、X射線干涉法、光柵干涉儀等[2]。激光干涉測(cè)量技術(shù)以激光波長(zhǎng)作為測(cè)量基準(zhǔn)，可以溯源到“米”基準(zhǔn)，測(cè)量精度可以達(dá)到亞納米量級(jí)。其中雙頻激光干涉儀采用外差干涉原理，是測(cè)量位移、角度的常用方法之一，這種測(cè)量技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，例如測(cè)量精度高、范圍廣、速度快、分辨率高，且抗干擾能力強(qiáng)，因此在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

1 在現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

現(xiàn)代機(jī)械制造正在向著高效率、高精度、智能化的方向發(fā)展，雙頻激光干涉儀在這一領(lǐng)域中顯示了其先進(jìn)性和優(yōu)越性。現(xiàn)代機(jī)械制造的發(fā)展離不開高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，國家第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要中明確提出實(shí)施100個(gè)重大工程及項(xiàng)目，其中28項(xiàng)就是研制高檔數(shù)控機(jī)床。使用雙頻激光干涉儀可以在普通的車間條件下快速、準(zhǔn)確、便捷的獲取和分析數(shù)控機(jī)床刀頭的定位精度信息，為分析和改進(jìn)數(shù)控機(jī)床的性能提供了可靠的依據(jù)[3]。雙頻激光干涉儀可采用線性循環(huán)、逐點(diǎn)循環(huán)、階梯循環(huán)三種循環(huán)方式檢定數(shù)控機(jī)床，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理的全程自動(dòng)化，且可以在機(jī)床工作的過程中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)直線度、垂直度、平行度及平面度的測(cè)量[4]。除了數(shù)控機(jī)床，三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也是現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域中極其重要的大型精密測(cè)量?jī)x器。三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)集光機(jī)電、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，可對(duì)加工零部件的形狀、尺寸進(jìn)行精密檢測(cè)以及精確定位，采用雙頻激光干涉儀作為測(cè)量基準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)的測(cè)量精度[5]。現(xiàn)代工業(yè)數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的運(yùn)行速度可以達(dá)到1000mm/s，采用雙頻激光干涉儀可以對(duì)該速度下的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行有效跟蹤，并實(shí)現(xiàn)位移和速度測(cè)量，精度可達(dá)0.1μm/800mm[6]。

2 在超精密加工領(lǐng)域中的應(yīng)用

超精密加工技術(shù)是衡量科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展的重要指標(biāo)，在我國的航空航天、現(xiàn)代工業(yè)控制等領(lǐng)域中都起著舉足輕重的作用，而影響超精密加工精度的一個(gè)重要因素就是精密測(cè)量技術(shù)[7]。世界上最先進(jìn)的機(jī)床之一——美國的LODTM大型金剛石車床，如圖1所示，為了能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)的閉環(huán)控制，該機(jī)床采用了雙頻激光干涉儀進(jìn)行高精密的測(cè)量，其測(cè)量精度能夠達(dá)到2.5nm，測(cè)量分辨力為0.618nm，機(jī)床的加工精度也達(dá)到了28nm[8]。

圖1 LODTM 大型金剛石車床

3 在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用

光刻機(jī)是集成電路制造加工的關(guān)鍵設(shè)備代表了世界裝備加工制造的最高水平。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，各類型芯片，尤其是手機(jī)芯片，對(duì)集成電路的集成度要求越來越高，而集成電路的集成度與光刻機(jī)的套刻精度息息相關(guān)。套刻精度主要由硅片臺(tái)和掩模臺(tái)的定位精度、同步掃描精度和光學(xué)對(duì)準(zhǔn)精度決定。硅片臺(tái)和掩膜臺(tái)的運(yùn)行速度又決定了光刻機(jī)的產(chǎn)率。雙頻激光干涉儀在光刻機(jī)中的應(yīng)用，主要是用于硅片臺(tái)和掩模臺(tái)的對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)的超精密運(yùn)動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)定位精度為亞納米量級(jí)的高速運(yùn)動(dòng)，位置測(cè)量的相對(duì)不確定度為10-9～10-8，有效提高光刻機(jī)的性能指標(biāo)[9-10]，圖 2是光刻機(jī)硅片臺(tái)與掩模臺(tái)的激光測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

圖2 光刻機(jī)硅片臺(tái)與掩模臺(tái)的激光測(cè)量系統(tǒng)示意圖

4 在計(jì)量領(lǐng)域中的應(yīng)用

雙頻激光干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測(cè)量，并且具有可溯源性，以激光波長(zhǎng)作為度量標(biāo)準(zhǔn)，其測(cè)量能夠達(dá)到納米量級(jí)。因此，雙頻激光干涉儀可以作為長(zhǎng)度計(jì)量的基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)精密的長(zhǎng)度計(jì)量[11]。在專用傳感器及計(jì)算機(jī)的輔助下，通過測(cè)量轉(zhuǎn)換，雙頻激光干涉儀還能實(shí)現(xiàn)對(duì)角度、直線度、平面度、垂直度等參數(shù)的高精確測(cè)量，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。因此國內(nèi)外計(jì)量規(guī)范都以激光干涉儀作為量值溯源和量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)器具，以及對(duì)儀器設(shè)備的測(cè)量精度進(jìn)行檢定、分析和校準(zhǔn)[12-13]。如圖3 是中國計(jì)量院26米動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置，采用HP5529A 外差激光干涉動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)器具，分辨力達(dá)到1nm[14]。

圖3 中國計(jì)量院26米動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀標(biāo)準(zhǔn)裝置

5 在天文領(lǐng)域的應(yīng)用

天文學(xué)是研究宇宙空間天體、宇宙的結(jié)構(gòu)和發(fā)展的學(xué)科，主要通過觀測(cè)天體發(fā)射到地球的輻射，發(fā)現(xiàn)并測(cè)量天體的位置，探索運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究其物理性質(zhì)、化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能量來源及其演化規(guī)律等。對(duì)觀測(cè)方法和手段的研究，是天文領(lǐng)域的一個(gè)重要方面。雙頻激光干涉儀可以用在天文望遠(yuǎn)鏡的測(cè)試中，用于軸向面形誤差測(cè)量[15]。高精度距離測(cè)量是空間科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的一個(gè)標(biāo)志性指標(biāo)，為空間科學(xué)計(jì)劃提供了技術(shù)支持[16]。引力波探測(cè)作為全球基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)之一，激光干涉儀對(duì)其發(fā)揮了巨大的作用。目前國際上用于空間引力波探測(cè)的地面激光干涉儀系統(tǒng)包括美國的 LIGO、意大利法國合作的 VIRGO、德英合作的 GEO600 以及日本的TAMA300等[17]。以我國為主導(dǎo)的國際空間引力波探測(cè)計(jì)劃——天琴計(jì)劃，也計(jì)劃把超大激光干涉儀送入向太空，在太空中建成一個(gè)探測(cè)引力波的天文臺(tái)，彰顯了我國引力波探測(cè)研究的創(chuàng)新能力。

6 我國雙頻激光干涉儀的發(fā)展

我國的第一臺(tái)雙頻激光干涉儀是由中國計(jì)量科學(xué)院和陜西機(jī)械學(xué)院聯(lián)合研制而成，其位移測(cè)量準(zhǔn)確度為5×10-7，量程為60米，最小分辨力為0.08μm[18]。清華大學(xué)在塞曼-雙折射激光器的基礎(chǔ)上，研制出一種可用于高速測(cè)量系統(tǒng)的雙頻激光干涉儀，其測(cè)量的最高速度可以達(dá)到4m/s[19]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)下屬超精密光電儀器工程研究所生產(chǎn)的激光干涉儀與相位延遲電子細(xì)分技術(shù)相配合，測(cè)量的最高速度達(dá)到1.5m/s，測(cè)量分辨力達(dá)到±0.31nm[20]。清華大學(xué)研制的雙頻激光干涉儀性能穩(wěn)定，位移零漂處于納米量級(jí)，非線性誤差只有0.3nm，線性位移相對(duì)測(cè)量誤差不超過3×10-8，已經(jīng)達(dá)到納米位移精密測(cè)量要求[21]。目前我國在激光干涉儀相關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)了飛躍式的發(fā)展，某些關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo)也可以與國際先進(jìn)水平相比，但是在干涉儀的總體性上仍然有很大的發(fā)展空間。