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        公司新聞

        40年堅持,打通雙折射雙頻激光器及干涉儀全技術鏈條
        發布時間:2022-12-19瀏覽次數:38

        導讀

                雙頻激光干涉儀是先進制造業、半導體芯片制造等行業不可或缺的納米精度的尺子,應用廣泛。張書練教授團隊(先清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室,后鐳測科技有限公司),以解決雙頻激光干涉儀關鍵技術為線,經近40年堅韌攀登,研究完成了“可伐-玻璃組裝式單頻氦氖激光器→雙折射雙頻激光器→雙折射雙頻激光干涉儀”的全鏈條技術,并批產。該技術開國內可伐-玻璃組裝式氦氖激光器之先,吹制工藝或成歷史。開國內外應力激光腔鏡產生雙頻激光之先,解大頻差和高功率不可得兼之難,頻率差可以在1~40 MHZ范圍選擇而功率大于1 mW。雙折射雙頻激光干涉儀測量70 m長度誤差小于5 μm,非線性誤差小于1 nm,測量速度高于3 m。

        1.研究背景

        激光干涉儀是當今納米時代的長度基準,也是先進制造業(機床、光刻機,航空、航天等)制造的精度保證。制造精度和生產效率越來越高,對激光干涉儀的測量精度和測量速度提出了更高的要求。

        激光干涉儀的“激光”是(HeNe)氦氖激光器,至今無可替代。傳統HeNe雙頻激光干涉儀存兩個難點,成為瓶頸:1)國內外,我們之前,雙頻激光器靠塞曼效應產生兩個頻率,頻率之差?。ㄔ? ~ 5 MHz之間),頻差越大激光功率越小,不能滿足光刻機等應用的更大頻率差要求(如10、20、40 MHz),頻率差大,測量速度高,效率高;2)不論是單頻還是雙頻激光干涉儀,國產還是外購,各型號都有幾納米甚至十幾納米的非線性誤差,一直沒有找到解決辦法。

        通常,在單頻激光器的光增益路徑上加磁場后(塞曼效應)就變成雙頻激光器??墒?,相當長的期間,購買到的大部分單頻激光器因為常出現跳模,用于單頻激光干涉儀時淘汰率很高,此外,加上磁場后單頻并不呈現雙頻,雙頻激光干涉儀難有好的光源。

        經近40年堅持,研究打通了單頻氦氖激光器→雙折射雙頻激光器→雙頻激光干涉儀的全技術鏈條,批產,獲得了廣泛應用和認可。

        雙折射雙頻激光器及干涉儀的關鍵和全鏈條技術

        2.1 雙折射雙頻激光器。

        置晶體石英片(圖1a中的Q雙面增透)或有內應力的玻璃元件(圖1b中的M2右表面鍍反射膜)于激光器諧振腔內,這些元件的雙折射使激光頻率分裂,一個頻率分裂成兩個頻率,兩個頻率的偏振方向互相垂直(正交偏振)。反復實驗證明,激光器可輸出頻率差大于但不能小于40 MHz兩個頻率。

        如果頻率差稍大于40 MHz,在改變(調諧)激光頻率諧振腔長(即用壓電陶瓷1納米一步“距”的推動M2改變激光諧振腔長)過程中看到的是一個頻率振蕩會陡然變成兩個頻率振蕩,而前者功率陡然下降一半,剛升起的頻率則獲得同樣的功率。繼續調諧腔長,最早振蕩的頻率會陡然消失,而后起振的頻率功率升高到最大。

        如果頻率差小于40 MHz,兩頻率則有你無我。圖2示出了頻率差20 MHz時o光和e光的光強度此長彼消得過程。理論和實驗一致。

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        圖1 激光頻率分裂原理圖。(a)晶體石英片Q于激光諧振腔內,(b)激光輸出鏡為M2右表面,對M2加力使激光反射鏡內產生應力
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        圖2 頻差20 MHz時的強烈模競爭。激光強度隨腔長調諧(改變)的實驗曲線。理論和實驗一致


        圖3給出了兩個頻率的頻率差多大時,在頻率軸上兩個頻率的共存區的寬度,也即兩個頻率差大小對應的共存頻域寬度。曲線最左側可見,在約40 MHz時,共存寬度迅速下降趨于0 Hz,也即小于40 MHz時,兩頻率之一熄滅,頻率差消失。


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        圖3 實驗測得的兩個頻率共存的頻域寬度和激光頻率差的關系

        2.2 雙折射-塞曼雙頻激光器。

        塞曼雙頻激光器的頻率差一般在5 MHz以下,功率隨頻率差增大而減小,7 MHz時的激光功率僅0.2 mW以下。作者團隊研發的雙折射雙頻激光器頻率差大于40 MHz,研制成的雙折射-塞曼雙頻激光器可以輸出百KHz到幾十MHz的頻率差,而功率不因頻率差增大而改變,可以達到1.5 mW。

        雙折射-塞曼雙頻激光器包括兩項關鍵技術,先由雙折射造成激光器頻率分裂,決定了激光器輸出為兩個偏振正交頻率以及它們的間隔(頻率差)的大小。再因激光器上加了橫向磁場,橫向塞曼效應使增益原子分成兩群——π群和σ群。π群和σ群光子的偏振對應雙折射互相垂直的主方向,也即正交偏振的光“各吃各糧”,它們之間的相互競爭不存在了,無論頻率差大小都能振蕩。頻率差可以是3、5、7、10、20、40 MHz或更大。

        2.3 內雕應力雙折射-塞曼雙頻激光器。

        提出了“內雕應力”的概念和產生雙頻的原理,即用窄脈沖激光器對激光腔鏡表面或基片內部造孔(或穴),造成激光腔鏡內的應力精確改變(圖4所示),“雕刻”提高了頻率差的控制精度。

        “內雕應力”雙折射雙頻激光器不僅用于國產雙頻激光干涉儀,也用于運行中的光刻機的激光器替換。同時,提供了科研單位的科學研究。該激光器替換正在服役的光刻機的原有激光器,使光刻機機臺誤差由24 nm下降到6 nm。

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        圖4 內雕應力雙折射-塞曼雙頻激光器。M2內部雕刻出的孔造成激光器的雙頻,磁條PMF1和PMF2消除激光器強模競爭

        2.4 可伐-玻璃組裝式(無吹制)雙頻激光器。

        國內,研制生產HeNe激光器歷史很長,但我國一直靠吹制工藝制造氦氖激光器,而且不能制造可伐-玻璃組裝式氦氖激光器。北京鐳測科技有限公司研制成可伐-玻璃組裝式單頻氦氖激光器,功率大于1 mW,滿足單頻和雙頻激光器的需求。同時,這一技術將使整個國產氦氖激光器告別吹制,進入一個新的技術高度(如圖5所示)。

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        圖5 可伐-玻璃組裝內雕應力雙頻激光器(鐳測科技提供)

        2.5 研制成的雙頻激光干涉儀技術指標。

        作者強調的是,我們有了可伐-玻璃組裝式激光器和雙折射(內應力)-塞曼雙頻激光器,雙頻激光干涉儀有了強力的“心臟”,有了自主可控的基礎。團隊又全面設計干涉儀的光、機、電、算。時至今日,可伐-玻璃組裝式雙折射(-塞曼)雙頻激光器(非吹制)和干涉儀已批量生產,正在滿足科學研究和產業的需求。

        中國計量科學院對雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀的測試結果:頻率穩定度為10-8,分辨力為1 nm,非線性誤差小于1 nm(圖6所示),12小時漂移35 nm(圖7所示),70 m長度測量誤差小于5 μm。這些數據來自中國計量科學院測試證書:CDjx 2014-2352, CDjx 2018-4810, CDjx 2020-04463等。

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        圖6 雙頻激光干涉儀非線性誤差
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        圖7 雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀12小時零點漂移


        展望


        在實現“可伐-玻璃組裝式激光器”→“內雕應力雙折射-塞曼雙頻激光器”→“雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀”全鏈條技術基礎上,進一步發展各種規格的可伐-玻璃組裝式激光器,以開拓雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀的應用深度和應用范圍。





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