4-8  高精度波长调谐相移技术

柴立群  许  乔  邓  燕  石琦凯

对大口径的光学元件实现纳米级的高精度干涉检测是一项极具挑战性的工作。波长移相技术通过改变输出激光的波长来实现干涉信号的移相。相移步进量Δf与波长变化量Δλ及腔长(光程差)Z之间存在一个非线性关系Df = 4p / l₀²DlZ，实验采用的Vortex 6005激光器波长调谐精度不能够满足要求。研究中通过激光控制器的“Frequency Modulation”接口外加模拟调制信号，信号变化范围为5 V，通过12位数/模卡驱动PZT，实现波长调谐精度优于1.84´10^-6 nm，满足了测试需要。

相移干涉检测中一个重要的误差源是相移的失调误差。由Df = 4p / l₀²DlZ在使用范围内可近似认为激光器的线性性，即DV=ADl，其中A为常量，结合Df = 4p / l₀²DlZ式可得：B = Al₀²/4p = DVZ/Df。研究中采用两步进行分析求解。其一利用几何方法，得到B＝17~19。其次根据B值取值区间，细分常数B，测试波前峰谷PV值及均方根RMS值及相应方差，根据理论，重复测试方差值最小的B值最接近真值。测试得到B=18.5。

计算精度可以通过在相移中引入更多的数据冗余量提高。同时保持光学系统的清洁无尘更为重要。图1为研制的f500 mm波长调谐相移干涉仪。实验测试镜采用ZYGO f100 mm标准反射镜(标称PV=0.005l)。测试结果(10次平均)如表1所示。波长移相算法可以将它们归为3种：分布移相算法、基于时域傅里叶变换的波长移相算法及组合波长算法。三表面干涉的情况下，研究设计了19步算法，分别用于提取面形及厚度信息。

基于时域傅里叶变换的算法中提出利用差分计算实现了h(x , y)的绝对距离测量，适于测量轮廓起伏较大的表面。本工作开发了一台满足大口径干涉检测需求、可实用化的波长调谐相移干涉仪分析系统和软件，实现了PV值为l/20，RMS重复性小于0.001l (多次测量的一组数据方差)的高精度检测。本工作的完成基本上解决了高精度干涉的检测问题，但对系统中存在的若干理论和技术问题仍需进行充分的研究。