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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：602

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，頻率之差小（在3 ~ 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。可是，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。

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

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。

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。

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）。

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。