本文關(guān)鍵詞：基于非共軸平衡光路的外差激光干涉周期非線性抑制方法

  更多相關(guān)文章： 外差干涉測量 周期非線性 非共軸平衡光路 雙光束光源 正交解調(diào)

【摘要】：隨著超精密工程與納米技術(shù)的發(fā)展,外差激光干涉測量技術(shù)正在向高加速度、高測速、亞納米精度的方向發(fā)展。影響亞納米精度的因素眾多,其中幾納米甚至十幾納米的周期非線性誤差是限制亞納米精度發(fā)展的關(guān)鍵因素之一本課題在對誤差綜合模型研究的基礎(chǔ)上,分析誤差源對周期非線性誤差的影響機理,尋找從根源上減小周期非線性誤差的途徑,提出一種非共軸平衡光路式外差激光干涉儀的構(gòu)建方法,以滿足外差激光干涉儀向亞納米精度發(fā)展的需求。本文的主要研究工作如下：針對尚未建立周期非線性誤差綜合模型的問題,根據(jù)產(chǎn)生周期非線性的5種誤差源,建立了一個誤差綜合模型,能夠完整地描述外差激光干涉測量系統(tǒng)中各誤差源之間的綜合關(guān)系,為周期非線性誤差的分析、測量及減小提供了必要的理論基礎(chǔ)。利用該模型對各個誤差源與一階、二階和高速周期非線性誤差之間的關(guān)系進行了分析及仿真。研究結(jié)果表明,雙頻激光束呈橢圓偏振態(tài)、雙頻激光束偏振主軸非正交、雙頻激光束偏振主軸與偏振分光鏡的光軸存在角度誤差是產(chǎn)生周期非線性的根本性誤差源；在低速測量時,一階誤差是主要的周期非線性誤差；在高速測量時,一階誤差和高速誤差是主要的周期非線性誤差。在此基礎(chǔ)上利用矢量分析法研究了周期非線性誤差的性質(zhì),結(jié)果表明,周期非線性誤差的幅值近似等于測量信號中誤差分量的幅值與理想分量的幅值之比,為快速估算周期非線性誤差提供了依據(jù)。最后利用該模型研究了三種周期非線性誤差補償技術(shù),仿真結(jié)果表明,誤差補償方法在不改變光路結(jié)構(gòu)的情況下可以將周期非線性誤差由11.2nm減小到0.1-lnm,為進一步減小周期非線性誤差提供了參考依據(jù)。針對現(xiàn)有非共軸光路式外差激光干涉儀由于參考臂與測量臂光程不平衡會引入熱漂移誤差的問題,提出了一種非共軸平衡光路式外差激光干涉儀的構(gòu)建方法。該方法利用非共軸的兩束光平行地入射光程平衡的傳統(tǒng)共軸外差激光干涉儀,用橫置的PBS或BS將參考臂與測量臂的兩束出射光會合形成干涉信號,從而構(gòu)成非共軸平衡光路式外差激光干涉儀。由于具有兩入射光束非共軸特性以及兩臂光程平衡特性,因而基于該方法構(gòu)建的外差激光干涉儀具有同時抑制周期非線性誤差與熱漂移誤差的能力,可以將周期非線性誤差抑制在±50pm以內(nèi)。然后基于該方法改進了單軸線性干涉結(jié)構(gòu)與單軸平面鏡干涉結(jié)構(gòu),擴展了三軸平面鏡干涉結(jié)構(gòu)。針對現(xiàn)有方法無法精確測量非共軸光路式外差激光干涉儀的pm量級周期非線性誤差的問題,提出了一種基于正交解調(diào)的周期非線性誤差精確測量模型。該測量模型包括相位求解、幅值及幅值誤差的求解、降采樣及加權(quán)平均、濾波、加窗函數(shù)和FFT求頻譜。該模型可以大幅度減小測量中的誤差及噪聲,精確地測量出pm量級的周期非線性誤差。實驗結(jié)果表明,該模型測量出了pm量級的一階、二階周期非線性誤差,測量精度為±3.5pm,并減少了85%的噪聲。最后,設(shè)計了非共軸平衡光路式單軸四細分干涉儀與頻差可調(diào)的雙光束光源,搭建了周期非線性誤差測量實驗系統(tǒng)。在快速位移實驗中,用頻譜分析測量法對周期非線性誤差進行了觀測,沒有觀測到可以辨認的nm級一階、二階周期非線性誤差；在低速位移實驗中,用正交解調(diào)測量法對實驗數(shù)據(jù)進行了計算,實驗結(jié)果表明,由于內(nèi)部的“鬼影”反射,干涉儀仍存在殘余的周期非線性誤差,其一階誤差為±35.6pm,二階誤差為+9.4pm。同時,熱漂移誤差測量實驗表明,干涉儀的熱漂移誤差為6.5nm/℃。在溫度控制精度為0.02℃的光刻設(shè)備環(huán)境中,所設(shè)計的干涉儀能夠滿足光刻設(shè)備對0.6nm測量精度的需求。
【關(guān)鍵詞】：外差干涉測量 周期非線性 非共軸平衡光路 雙光束光源 正交解調(diào)
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH744.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-23
• 1.1 課題的研究背景與意義12-15
• 1.2 外差激光干涉測量中周期非線性誤差的研究現(xiàn)狀15-21
• 1.2.1 周期非線性誤差模型的研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.2 周期非線性誤差補償與抑制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀18-20
• 1.2.3 周期非線性誤差測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀20-21
• 1.3 本領(lǐng)域存在的重要科學問題21-22
• 1.4 課題主要研究內(nèi)容22-23
• 第2章 周期非線性誤差模型與補償技術(shù)研究23-72
• 2.1 引言23
• 2.2 外差激光干涉測量原理及系統(tǒng)23-33
• 2.2.1 外差激光干涉測量原理23-27
• 2.2.2 外差激光干涉測量系統(tǒng)27-33
• 2.3 周期非線性誤差模型33-53
• 2.3.1 周期非線性誤差源分析33-35
• 2.3.2 周期非線性誤差模型的建立35-44
• 2.3.3 周期非線性誤差仿真分析44-53
• 2.4 周期非線性誤差特性分析53-61
• 2.4.1 一階周期非線性誤差56-58
• 2.4.2 二階周期非線性誤差58-60
• 2.4.3 高速周期非線性誤差60-61
• 2.5 周期非線性誤差補償技術(shù)分析61-71
• 2.5.1 正交測量補償法61-64
• 2.5.2 橢圓擬合補償法64-69
• 2.5.3 Chu-Ray補償法69-71
• 2.6 本章小結(jié)71-72
• 第3章 周期非線性誤差抑制技術(shù)研究72-89
• 3.1 引言72
• 3.2 非共軸光路式外差干涉結(jié)構(gòu)分析72-78
• 3.3 外差干涉結(jié)構(gòu)的熱誤差分析78-80
• 3.4 非共軸平衡光路式外差激光干涉儀結(jié)構(gòu)設(shè)計80-88
• 3.4.1 傳統(tǒng)共軸外差干涉儀的光程平衡性分析80-82
• 3.4.2 偏振分光棱鏡的合光特性分析82-85
• 3.4.3 構(gòu)建非共軸平衡光路式外差激光干涉儀85-88
• 3.5 本章小結(jié)88-89
• 第4章 周期非線性誤差測量技術(shù)研究89-102
• 4.1 引言89
• 4.2 周期非線性誤差的信號特性分析89-93
• 4.3 正交解調(diào)測量法93-99
• 4.4 頻譜分析測量法99-101
• 4.5 本章小結(jié)101-102
• 第5章 周期非線性誤差測量實驗與分析102-112
• 5.1 引言102
• 5.2 周期非線性誤差測量實驗系統(tǒng)102-105
• 5.2.1 實驗系統(tǒng)102
• 5.2.2 頻差可調(diào)的雙光束光源102-103
• 5.2.3 非共軸平衡光路式單軸四細分外差激光干涉儀103-105
• 5.3 實驗結(jié)果與分析105-111
• 5.4 本章小結(jié)111-112
• 結(jié)論112-115
• 參考文獻115-124
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果124-128
• 致謝128-129
• 個人簡歷129

【參考文獻】

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本文編號：1069176