Определение эффективной длины волны источника света в интерференционном профилометре Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 681.723.26; 681.786.5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ИСТОЧНИКА СВЕТА В ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМ ПРОФИЛОМЕТРЕ

Евгений Владимирович Сысоев

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: evsml@mail.ru

Игнат Александрович Выхристюк

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, заведующий лабораторией, тел. (383)306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru

Родион Владимирович Куликов

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru

Василий Владимирович Широков

Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, аспирант, младший научный сотрудник, тел. (383)306-62-12 , e-mail: stewie89@mail.ru

Исследовано влияние оптической системы интерферометра на спектр используемого в нем источника света с целью получения достоверного значения эффективной длины волны. Показано, что спектр излучения источника имеет смещение эффективной длины волны в интерферометре. Осуществлена привязка спектра излучения широкополосных источников света к длине волны гелий-неонового (HeNe) лазера.

Ключевые слова: интерферометр продольного сдвига, интерференционный профило-

метр.

DETERMINATION OF THE LIGHT SOURCE EFFECTIVE WAVELENGTH IN THE INTERFERENCE PROFILOMETER

Evgeny V. Sysoev

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Ph. D., Leading Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: evsml@mail.ru

Ignat A. Vykhristyuk

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Laboratory Head, tel. (383)306-62-12, e-mail: uic@ngs.ru

Rodion V. Kulikov

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Junior Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: rstalcker@ngs.ru

Vasily V. Shirokov

Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41 Russkaya St., Junior Researcher, tel. (383)306-62-12, e-mail: stewie89@mail.ru

The effect of interferometer optical system on light source spectrum for obtaining the reliable value of effective wavelength has been studied. It is shown that the spectrum of the light source has shift of effective wavelength in the interferometer. Binding of the radiation spectrum of broadband light source to the wavelength of helium-neon (HeNe) laser is realized.

Key words: longitudinal shear interferometer, interferometric profilometer.

Системы измерения, основанные на интерференции световых волн, широко применяются в метрологии и научных исследованиях. Одной из задач, которые решают такие системы, является измерение и реконструкция топографии рельефа поверхности. Главным компонентом этих систем является интерферометр. Оптическая система профилометра представляет собой интерферометр Майкельсона в его различных модификациях. Основным компонентом оптической системы и нтерферометра является источник излучения. Реализация процесса измерения требует точного знания длины волны источника излучения. Длина волны, используемая в расчетах нано- и пикорельефа, определяется максимальным пиком спектра источника излучения и называется эффективной длиной волны (X). Однако оптические компоненты профилометра представляют собой частотный фильтр, который обрезает спектр и смещает X. Следовательно, X, измеренная с помощью спектрометра, не является достоверной величиной, применительно к профилометру. В связи с этим актуальной задачей при измерении рельефа поверхности является определение достоверной величины X источника в интерференционном профилометре.

Для решения этой задачи в работе предлагается использовать сам интерферометр в режиме Фурье-спектрометра [1]. Выбор данного метода обусловлен простотой реализации, высокой точностью и достоверностью получаемых результатов.

Фурье-спектрометр представляет собой интерферометр (оптическая схема Майкельсона, Линника, Захарьевского [2]), в плечах которого расположены зеркальные поверхности. Равномерное перемещение одного из зеркал приводит к изменению интенсивности за счет разницы оптического пути в плечах интерферометра. В результате регистрации можно получить зависимость интенсивности от времени. Как известно из Фурье-анализа, функция временной переменной связанна с функцией частотной переменной через обратное преобразование Фурье:

где / (V) - функция частотной переменной, Г (г) - функция временной переменной. Таким образом, имея зависимость интенсивности сигнала интерференции

от времени, можно получить зависимость интенсивности от частоты, используя обратное преобразование Фурье.

В настоящем исследовании использовался микроскоп нанопрофилометр МНП-1 [3]. Общий вид профилометра представлен на рис. 1. МНП-1 состоит из измерительного блока, контроллера управления и компьютера. Основой измерительного блока профилометра является интерферометр Линника в параллельных пучках. В данном профилометре имеется возможность смены источника излучения и установки микрометрического поворотного столика для позиционирования объекта измерения относительно интерферометра.

Рис. 1. Микроскоп нанопрофилометр МНП-1

Использование интерферометра как Фурье-спектрометра осуществлялось в режиме наноизмерений [4] программного обеспечения МНП-1 с применением дополнительно написанной программы, выполняющей преобразования набора интерферограм в спектр излучения источника. Для привязки полученной зависимости интенсивности от частоты использовался Не№ лазер с известной длинной волны X = 632,81 нм. Излучение лазера позиционировалось на входном отверстии интерферометра, а перед лазером, с целью устранения спеклов, устанавливался вращающийся рассеиватель.

Для получения спектральной плотности мощности использовался набор двумерных изображений интерферограмм (256 кадров), полученных в результате сканирования одного из зеркал, закрепленного на пьезокерамическом элементе, вдоль оптической оси интерферометра. В дальнейшем для каждой вертикальной строки пикселей каждой интерферограммы было получено ее Фурье-преобразование. Было проведено усреднение полученного спектра по количеству столбцов интерферограммы и по количеству используемых интерферо-грамм. Процедура усреднения позволила снизить влияния шума и повысить точность измерения. Так как получаемые спектры имели относительные едини-

цы частоты, была осуществлена привязка всех спектров к спектру Не№ лазера с известной частотой.

Процесс измерения производился для различных источников излучения. Измерительное зеркало наклонялось относительно оптической оси таким образом, чтобы получить на интерферограмме максимальное количество разрешаемых интерференционных полос. На протяжении всего эксперимента положение измерительного зеркала не изменялось.

Так же спектры излучения исследуемых источников были получены с помощью спектрометра Qwave.

На рис. 2 представлены результаты, полученные на спектрометре Qwave и интерферометре в режиме Фурье-спектрометра.

Рис. 2. Спектры источников излучения: белый светодиод (а); зеленый светодиод (б); красный светодиод (в); синий светодиод (г);

1 - Фурье-спектрометр; 2 - спектрометр Qwave

Спектры излучения, полученные с помощью спектрометра Qwave и интерферометра в режиме Фурье-спектрометра, заметно отличаются. Эффективная длина волны источников, полученная с помощью интерферометра, имеет смещение. Так же видно, что спектры излучения, полученные с помощью спектрометра Qwave шире, чем спектры, полученные на интерферометре.

Заключение

Показано что, компоненты оптической системы интерферометра существенно влияют на спектральный состав проходящего света и смещают максимум спектра на несколько десятков нанометров.

Применение интерферометра в режиме Фурье-спектрометра и привязка спектра излучения источника света к длине волны №№ лазера позволяет полу-

чить достоверную эффективную длину волны и увеличить точность измерений нано- и пикорельефа поверхности.

В дальнейшем планируется проведение экспериментов по измерению межатомного расстояния в кристаллах Si с ориентацией [111].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Chao T.-H., Lu T. T., Davis S. R., Rommel S. D., Farca G., Luey B., Martin A., Anderson M. H. Compact liquid crystal waveguide based Fourier transform spectrometer for in-situ and remote gas and chemical sensing // Proc. SPIE. - 2GG8. - P. 6977GP-1 - 6977GP-11.

2. Захарьевский A. H., Панов В. А., Кузнецова А. Ф. Интерференционный микрообъектив // ОМП. - 1960. - № 6. - С. 34-37.

3. Сысоев Е. В., Выхристюк И. А., Куликов Р. В., Поташников А. К., Разум В. А., Степнов Л. М. Интерференционный микроскоп-профилометр // Автометрия. - 2010. - Т. 46, № 2. -С. 119-128.

4. Сысоев Е. В. Метод частичного сканирования коррелограмм для измерения микрорельефа поверхностей // Автометрия. - 2007. - Т. 43, № 1. - С. 107-115.

© Е. В. Сысоев, И. А. Выхристюк, Р. В. Куликов, В. В. Широков, 2015