隨著(zhù)智能制造技術(shù)的不斷深入，在許多應用中，厚度測量的能力至關(guān)重要，從實(shí)驗室到在線(xiàn)環(huán)境中，要求設備具備實(shí)時(shí)模式測量功能。目前厚度測量方法很多，其中以激光干涉儀的精度為突出，是微納位移測量的佳選。按照技術(shù)路線(xiàn)不同，光學(xué)測量又分高相干激光測量-雙波長(cháng)超外差探測1，和低相干干涉測量?jì)纱箢?lèi)。低相干干涉術(shù)（LCI）是***種基于白光干涉術(shù)的測量技術(shù)，使用低相干光源來(lái)獲得高度準確的距離測量。隨著(zhù)工業(yè)環(huán)境中要求堅固、準確、用戶(hù)友好和高精度儀器的需求，Eastman Kodak的Marcus等人對低相干干涉儀進(jìn)行了早期研究，用于各種工業(yè)應用，包括涂層料的液體層厚度監測、膠片基底厚度均勻性、數碼相機焦點(diǎn)評估、光學(xué)單元路徑長(cháng)度評估以及CCD成像儀和晶片表面輪廓測繪。第***代儀器是采用自相關(guān)器配置的邁克爾遜干涉儀。由直流電機驅動(dòng)的機械組件通過(guò)使干涉儀臂中的回復反射器往復運動(dòng)來(lái)產(chǎn)生路徑長(cháng)度變化。為了提高測量精度，使用基于激光源的第二干涉儀實(shí)現，該激光源與低相干干涉儀具有相同的光學(xué)路徑。使用頻率穩定的氦氖激光器產(chǎn)生穩定的干涉條紋信號，作為數據采集的參考“時(shí)鐘”。該“時(shí)鐘”沿路徑長(cháng)度變化以恒定間隔產(chǎn)生觸發(fā)信號。

下***代的干涉儀分別用壓電陶瓷（PZT）光纖拉伸器和1550nm分布反饋（DFB）的半導體激光器取代了電機驅動(dòng)的光學(xué)器件和氦氖激光器。此系統中，干涉儀沒(méi)有運動(dòng)部件，使用了壽命長(cháng)、可靠性高的電信***組件。低相干和高相干干涉測量之間的差異如圖1所示。典型邁克爾遜干涉儀的干涉信號表示為

其中Er和Es是干涉光場(chǎng)，Id是探測器處的強度，Ir和Is是干涉光束的平均強度。方程中的第二項，稱(chēng)為歸***化自相關(guān)函數，表示在探測器處觀(guān)察到的強度變化的幅度。該項取決于樣品和參考臂之間的光程差τ。在激光等高相干光源的情況下，合成強度隨路徑長(cháng)度差的變化呈正弦曲線(xiàn)，如圖1左上所示。然而，隨著(zhù)相干度的降低，強度變化的幅度減小，并且只有當兩個(gè)臂的路徑長(cháng)度緊密匹配時(shí)，即τ接近零時(shí)，才會(huì )觀(guān)察到強度變化。

圖1：邁克爾遜干涉儀

強度變化作為路徑長(cháng)度差的函數，呈現出圖1左下角所示的形式。當路徑長(cháng)度差較大時(shí)，沒(méi)有觀(guān)察到強度的變化。強度變化的幅度隨著(zhù)路徑長(cháng)度差的減小而增加，當路徑長(cháng)度完全相等時(shí)，即τ=0，出現***大值。換句話(huà)說(shuō)，在探測器上觀(guān)察到的強度變化是由包絡(luò )函數調制的，其寬度由源的相干性決定。

圖2顯示了透明樣品兩個(gè)表面反射產(chǎn)生的兩個(gè)波包，***個(gè)來(lái)自表面1，另***個(gè)來(lái)自面2。第二波分組相對于第***分組延遲了光學(xué)厚度（OPL）。樣品的光學(xué)厚度（OPL）可以表示為

圖2：與樣品相互作用后的光傳播圖

其中t是樣品的物理厚度，c是真空中的光速，Vg是波包的群速度。群速度定義為ω/k，角頻率ω的微分變化，作為波數k的函數?？梢宰C明，在色散介質(zhì)中，群速度變?yōu)?/p>

其中Vp是相速度，np是相指數。然后，將組索引ng定義為

因此，使用方程式（2）和（4），OPL可以表示為

兩個(gè)反射波包與相干源的光共同傳播，然后輸入干涉儀。

圖3是全光纖干涉儀的光路框圖。干涉儀執行的輸入信號自相關(guān)產(chǎn)生的干涉圖如圖所示。通過(guò)在50/50分束器處生成兩個(gè)相同的輸入信號來(lái)執行自相關(guān)。兩束光進(jìn)入干涉儀的兩個(gè)臂，從鏡子反射，并在分束器處重新組合以相互干涉。兩個(gè)光束所遇到的光程長(cháng)度的差異由涉儀臂的長(cháng)度決定。通過(guò)同步掃描鏡子，以周期性的方式調整臂長(cháng)，使得***個(gè)臂的臂長(cháng)增加，另***個(gè)臂相應減少。低相干自相關(guān)顯示出三個(gè)峰值，這是掃描鏡三種不同配置的結果。當干涉儀的臂具有相等的路徑長(cháng)度時(shí)，會(huì )出現干涉。在這種情況下，來(lái)自樣品的反射波包在通過(guò)干涉儀傳播后會(huì )相互干擾（即來(lái)自Arm 1的波包1會(huì )與來(lái)自Arm 2的包1發(fā)生干涉，來(lái)自Arm1的波包2會(huì )與來(lái)自Arm 2的包2發(fā)生干涉）。移動(dòng)掃描臂時(shí)，干涉儀臂中的路徑長(cháng)度變得不匹配，由于源的低相干性，條紋可見(jiàn)度降低。它***終達到零，直到路徑長(cháng)度變化等于樣品厚度的OPL。當這種情況發(fā)生時(shí)，另***個(gè)條紋可見(jiàn)度峰值被檢測為弱條紋。這種情況在干涉儀的兩種不同配置中實(shí)現，每種配置都會(huì )產(chǎn)生弱條紋。當來(lái)自臂1的波包1與來(lái)自臂2的波包2發(fā)生干涉時(shí)，就會(huì )實(shí)現這種情況，反之亦然。

圖3：兩個(gè)光源信號的自相關(guān)

通過(guò)在50/50分路器，并送入掃描干涉儀的兩個(gè)臂。PZT光纖拉伸器用于干涉儀的路徑長(cháng)度掃描。這些光纖拉伸器是大約10米長(cháng)的單模光纖，包裹在壓電陶瓷圓柱體上。向壓電晶體施加高壓波形會(huì )改變PZT晶體的物理尺寸，進(jìn)而導致光纖內的光程長(cháng)度變化。在全電壓下，每個(gè)PZT可以將光纖“拉伸”到4.5毫米，相當于大約6.5毫米的光路長(cháng)度變化。干涉儀的每個(gè)臂上都有兩個(gè)光纖拉伸器，以“推拉”配置運行。***個(gè)PZT的電壓波形與另***個(gè)PZT波形相位相差180°。根據每個(gè)臂的相對路徑長(cháng)度，干涉儀可以在每次電壓掃描中執行兩次光學(xué)掃描，或者掃描兩次光學(xué)拉伸。在后***種增加拉伸的模式下，路徑長(cháng)度變化可以加倍到大約13mm的光路長(cháng)度，從而能夠測量更厚的樣品。

離開(kāi)光纖展寬器的光被法拉第鏡反射回展寬器，再次穿過(guò)展寬器（法拉第鏡是被動(dòng)器件，反射相對于輸入光偏振旋轉變化90°的光，與初始偏振態(tài)無(wú)關(guān)）。為了使干涉信號的條紋可見(jiàn)度***大化，返回光束的偏振態(tài)須相同。已經(jīng)表明，光纖展寬器會(huì )引起靜態(tài)和動(dòng)態(tài)雙折射，從而破壞偏振態(tài)。12法拉第鏡通過(guò)執行相位共軛來(lái)補償光纖展寬器中動(dòng)態(tài)彎曲引起的雙折射，有助于大限度地提高條紋可見(jiàn)度。每只手臂上匹配的擔架的抵消效應降低了靜態(tài)雙折射。光通過(guò)50/50分光器離開(kāi)干涉儀。兩個(gè)干涉信號，***個(gè)由SLED產(chǎn)生，另***個(gè)由激光器產(chǎn)生，由WDM（圖中的WDM 2）分離。來(lái)自SLED和激光器的條紋信號由不同的光電二極管檢測。激光器產(chǎn)生的信號由過(guò)零檢測電路處理，該電路產(chǎn)生脈沖，用于“計時(shí)”低相干源產(chǎn)生的信號的模數（A/D）轉換。***旦低相干條紋信號被數字化，它就會(huì )在軟件中解調，并實(shí)時(shí)計算和顯示光學(xué)厚度。

(文章來(lái)源于儀器網(wǎng))