導(dǎo)讀
雙頻激光干涉儀是先進(jìn)制造業(yè)、半導(dǎo)體芯片制造等行業(yè)不可或缺的納米精度的尺子，應(yīng)用廣泛。張書(shū)練教授團(tuán)隊(duì)（先清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，后鐳測(cè)科技有限公司），以解決雙頻激光干涉儀關(guān)鍵技術(shù)為線，經(jīng)近40年堅(jiān)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(shù)，并批產(chǎn)。該技術(shù)開(kāi)國(guó)內(nèi)可伐-玻璃組裝式氦氖激光器之先，吹制工藝或成歷史。開(kāi)國(guó)內(nèi)外應(yīng)力激光腔鏡產(chǎn)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(cè)量70 m長(zhǎng)度誤差小于5 μm，非線性誤差小于1 nm，測(cè)量速度高于3 m。
1.研究背景
激光干涉儀是當(dāng)今納米時(shí)代的長(zhǎng)度基準(zhǔn)，也是先進(jìn)制造業(yè)（機(jī)床、光刻機(jī)，航空、航天等）制造的精度保證。制造精度和生產(chǎn)效率越來(lái)越高，對(duì)激光干涉儀的測(cè)量精度和測(cè)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(wú)可替代。傳統(tǒng)HeNe雙頻激光干涉儀存兩個(gè)難點(diǎn)，成為瓶頸：1）國(guó)內(nèi)外，我們之前，雙頻激光器靠塞曼效應(yīng)產(chǎn)生兩個(gè)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(jī)等應(yīng)用的更大頻率差要求（如10、20、40 MHz），頻率差大，測(cè)量速度高，效率高；2）不論是單頻還是雙頻激光干涉儀，國(guó)產(chǎn)還是外購(gòu)，各型號(hào)都有幾納米甚至十幾納米的非線性誤差，一直沒(méi)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(chǎng)后（塞曼效應(yīng)）就變成雙頻激光器。可是，相當(dāng)長(zhǎng)的期間，購(gòu)買到的大部分單頻激光器因?yàn)槌３霈F(xiàn)跳模，用于單頻激光干涉儀時(shí)淘汰率很高，此外，加上磁場(chǎng)后單頻并不呈現(xiàn)雙頻，雙頻激光干涉儀難有好的光源。
經(jīng)近40年堅(jiān)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(shù)鏈條，批產(chǎn)，獲得了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。
雙折射雙頻激光器及干涉儀的關(guān)鍵和全鏈條技術(shù)
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(nèi)應(yīng)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(nèi)，這些元件的雙折射使激光頻率分裂，一個(gè)頻率分裂成兩個(gè)頻率，兩個(gè)頻率的偏振方向互相垂直（正交偏振）。反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明，激光器可輸出頻率差大于但不能小于40 MHz兩個(gè)頻率。
如果頻率差稍大于40 MHz，在改變（調(diào)諧）激光頻率諧振腔長(zhǎng)（即用壓電陶瓷1納米一步“距”的推動(dòng)M2改變激光諧振腔長(zhǎng)）過(guò)程中看到的是一個(gè)頻率振蕩會(huì)陡然變成兩個(gè)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(xù)調(diào)諧腔長(zhǎng)，最早振蕩的頻率會(huì)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(wú)我。圖2示出了頻率差20 MHz時(shí)o光和e光的光強(qiáng)度此長(zhǎng)彼消得過(guò)程。理論和實(shí)驗(yàn)一致。
圖3給出了兩個(gè)頻率的頻率差多大時(shí)，在頻率軸上兩個(gè)頻率的共存區(qū)的寬度，也即兩個(gè)頻率差大小對(duì)應(yīng)的共存頻域?qū)挾?。曲線最左側(cè)可見(jiàn)，在約40 MHz時(shí)，共存寬度迅速下降趨于0 Hz，也即小于40 MHz時(shí)，兩頻率之一熄滅，頻率差消失。
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(shí)的激光功率僅0.2 mW以下。作者團(tuán)隊(duì)研發(fā)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(dá)到1.5 mW。
雙折射-塞曼雙頻激光器包括兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，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(gè)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(chǎng)，橫向塞曼效應(yīng)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(duì)應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)不存在了，無(wú)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(nèi)雕應(yīng)力雙折射-塞曼雙頻激光器。
提出了“內(nèi)雕應(yīng)力”的概念和產(chǎn)生雙頻的原理，即用窄脈沖激光器對(duì)激光腔鏡表面或基片內(nèi)部造孔（或穴），造成激光腔鏡內(nèi)的應(yīng)力精確改變（圖4所示），“雕刻”提高了頻率差的控制精度。
“內(nèi)雕應(yīng)力”雙折射雙頻激光器不僅用于國(guó)產(chǎn)雙頻激光干涉儀，也用于運(yùn)行中的光刻機(jī)的激光器替換。同時(shí)，提供了科研單位的科學(xué)研究。該激光器替換正在服役的光刻機(jī)的原有激光器，使光刻機(jī)機(jī)臺(tái)誤差由24 nm下降到6 nm。
2.4 可伐-玻璃組裝式（無(wú)吹制）雙頻激光器。
國(guó)內(nèi)，研制生產(chǎn)HeNe激光器歷史很長(zhǎng)，但我國(guó)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(cè)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(shí)，這一技術(shù)將使國(guó)產(chǎn)氦氖激光器告別吹制，進(jìn)入一個(gè)新的技術(shù)高度（如圖5所示）。
2.5 研制成的雙頻激光干涉儀技術(shù)指標(biāo)。
作者強(qiáng)調(diào)的是，我們有了可伐-玻璃組裝式激光器和雙折射（內(nèi)應(yīng)力）-塞曼雙頻激光器，雙頻激光干涉儀有了強(qiáng)力的“心臟”，有了自主可控的基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)又全面設(shè)計(jì)干涉儀的光、機(jī)、電、算。時(shí)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(chǎn)，正在滿足科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)的需求。
中國(guó)計(jì)量科學(xué)院對(duì)雙折射-塞曼雙頻激光干涉儀的測(cè)試結(jié)果：頻率穩(wěn)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(shí)漂移35 nm（圖7所示）,70 m長(zhǎng)度測(cè)量誤差小于5 μm。這些數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)院測(cè)試證書(shū)：CDjx 2014-2352, CDjx 2018-4810, CDjx 2020-04463等。
展望
來(lái)源：儀器信息網(wǎng) https://www.instrument.com.cn/news/20221229/646013.shtml
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