基于频率联动双飞秒光纤光频梳的表面形貌测量研究

In recent years, with the rapid development of the computers and information industry, the fast, precise measurement of surface-profile fabricated on microelectronic products and micro-optical devices is essential for quality assurance. However，the available surface-profile metrologies are restricted by different factors, so that they are not suited for the precise measurement of various surface-profile characteristics. Based on the frequency linked dual femtosecond fiber frequency combs, the measuring range of the specimen surface height is increased to realize the precise measurement of various surface-profile, and the measurement process is more convenient. In this program, after establishing the theoretical interference model which the dual femtosecond pulses with different frequencies interfere when they go through the unequal optical length, the influence of the optical source and the interference optical path parameters are studied. On the basis of theoretical analysis results, the experimental system of the frequency linked dual femtosecond fiber frequency combs with low noise and the interference optical path parameters are constructed to realize the interference of the dual pulses. According to the experimental results, the height of the specimen surface is calculate by designing and optimizing the algorithm. Based on the computing result, the surface-profile of the specimen is reconstructed. All the research results will provide theory evidences and technological proofs for the surface-profile metrology utilizing the femtosecond frequency combs of our nation.

近年来，随着计算机和信息产业的高速发展，对微电子芯片、微光学元件等物体的表面形貌进行快速、精密的测量，对于保证产品的质量有着非常重要的意义。然而，现有的表面形貌测量方法由于受到各种因素的限制，难以满足在实际应用中对不同的物体表面形貌特征进行精密测量的需求。本项目基于频率联动双飞秒光纤光频梳，有效地扩大被测样品表面高度的测量范围，可实现对各种微观表面形貌的精密测量，极大方便了实际测量过程。本项目中，通过建立两列重复频率不同的飞秒脉冲经过不同光程后产生干涉的理论模型，研究光源参数以及干涉光路参数对干涉结果的影响；搭建具有低噪特性的频率联动的双飞秒光频梳系统以及干涉光路，实现两列脉冲干涉的实验研究；设计并优化算法，由干涉实验结果计算得到测量物体表面高度信息，并根据计算结果恢复被测物体的表面形貌。本项目将为我国在基于飞秒光频梳的表面形貌精密测量领域的研究，提供理论依据和科学技术支撑。

近年来，随着计算机和信息产业的高速发展，对微电子芯片、微光学元件等物体的表面形貌进行快速、精密的测量，对于保证产品的质量有着非常重要的意义。然而，现有的表面形貌测量方法由于受到各种因素的限制，难以满足在实际应用中对不同的物体表面形貌特征进行精密测量的需求。本项目基于频率联动双飞秒光纤光频梳，有效地扩大被测样品表面高度的测量范围，可实现对各种微观表面形貌的精密测量，极大方便了实际测量过程。.本项目中，通过建立两列重复频率不同的飞秒脉冲经过不同光程后产生干涉的理论模型，研究光源参数以及干涉光路参数对干涉结果的影响，并根据理论研究的结果设计了光频梳光源和用于测量的干涉光路参数。根据理论研究的结果，搭建了频率联动的双飞秒光纤光频梳，在振荡器内部加入了光延迟线，实现了光频梳fr的大范围(~1MHz)连续可调。用PID反馈控制技术，实现光频梳系统的稳频，当光频梳fr锁定后，使用频率计数器记录fr数据标准差达到213μHz(记数时间间隔为1s)，fr积分后的相位噪声为1mrad。利用跟踪反馈控制电路，将两台光频梳fr之间的差Δfr锁定到稳定的微波信号源上。当双光梳间实现联动后，两台光频梳fr之间的相关系数最高可达到0.99。两台光频梳fr1和fr2之间的联动建立之后，使用频率计数器记录fr1和fr2的差值Δfr，通过计算得到Δfr的标准差为1.23mHz(计数的时间间隔为1s)。测量得到Δfr信号积分后的相位噪声小于0.3mrad。搭建基于频率联动的双飞秒光频梳系统的空间干涉光路，实现两列脉冲干涉的实验研究；设计并优化算法，由干涉实验结果计算得到测量物体表面高度信息，并根据计算结果恢复被测物体的表面形貌。系统搭建测试完成后，先利用平面镜进行验证性实验，为了验证测量的重复性，在保证实验环境相同的情况下，对平面镜进行了20次重复实验，20次测量中，重复性偏差小于30nm。再对待测物—硅晶片进行测量，得到视场为28.3mm×28.3mm的表面形貌测量结果。.本项目将为我国在基于飞秒光频梳的表面形貌精密测量领域的研究，提供理论依据和科学技术支撑。..