CN100470193C - 石英波片厚度的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种石英波片厚度的测量装置和测量方法，该装置由装置主体、接口卡和计算机构成，所述的装置主体包括激光束、该激光束经光束引导镜分成透射光束和反射光束，在透射光束方向是监测器，在反射光束方向依次是起偏器、待测波片置放台、检偏器和检测器，所述的监测器、待测波片置放台、检偏器和检测器通过屏蔽电缆经接口卡与计算机相连接。利用本发明装置可对石英波片厚度进行自动测量，该测量方法不需要预先确定石英波片光轴方向，只需要一种波长的激光光源，就能以较高的测量精度和速度测出所处实际环境温度下波片的厚度。并可给出该波片任一波长和环境温度下的相位延迟量。

Description

石英波片厚度的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及石英波片，特别是一种石英波片厚度的测量装置和测量方法。

背景技术

在光轴准确定向的情况下，石英波片的厚度是决定其相位延迟量的关键参数。因此，实际应用中厚度的选择、生产过程中厚度的测量与控制都是十分重要的。光学波片的测量多数是通过相位延迟量的测量而实现的。通常的方法是以一特定波长λ的平行光束作为光源，用光学***来确定波片的光轴方向并测得波片对该特定波长λ的相位延迟量。测量不同波长范围的波片，常常需要备用相对应波长的光源。

已有的石英波片厚度的测量必有两步：一是检测前需定出光学波片的光轴方向，再对其相位延迟量进行测量(专利：《光学波片的检测仪》(ZL 01 132359.0)和《光学波片的厚度测量仪》(ZL01274450.6))，然而准确地确定光轴并不容易。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种石英波片厚度的测量装置和测量方法，该测量方法不需要预先确定石英波片光轴方向，只需要一种波长的激光光源，就能以较高的测量精度和速度测出所处实际环境温度下波片的物理厚度。并从这个厚度出发，可以给出任一波长下，该波片可以产生的相位延迟量和与所设计要求相位延迟量之间的误差，便于在加工时进行修正。

本发明的基本原理如下：

当垂直石英波片光轴且波长为λ₀的光在石英波片中传播时，因石英晶体的快、慢轴的折射率差会产生相位延迟δ，它与产生该相位延迟的波片厚度(称为有效厚度)d₀之间存在如下对应关系：

δ＝d₀{2π[n_e(λ₀)-n_o(λ₀)]}/λ₀…………………(1)

式中：λ₀为测量波片时光的波长，n_e(λ₀)，n₀(λ₀)分别为石英晶体快、慢轴对应的折射率。由该关系式可求得波片对被测波长λ₀起延迟δ作用的这一有效厚度d₀。

通常，把厚度不足于产生相位延迟量2π的波片称为零级波片，由于零级波片厚度太薄，不易加工和不便使用。一般做法是在所需零级波片的厚度上叠加几个至几十个全波片厚度d_λ0，全波片对应的厚度所产生相位延迟量为2π，做成较厚的实用波片，这种波片称为多级波片。多级波片(设有N级全波片厚度)的真实厚度D与全波片厚度d_λ0及级数N、有效厚度d₀之间的关系为：

D＝N d_λ0+d₀  (2)

从公式(1)、(2)，只要测出δ就得到d₀，再由N和d_λ0可算出D。

本发明的方法注意了色散与温度、波长有关，上面式(1)中石英晶体双折射率差的色散与温度、波长的关系为：

n_e(λ)-n₀(λ)＝[8.86410+0.107057λ^-2+0.0019893λ^-4-0.17175λ²

-10^-3t(1+t/900)(1.01+0.2λ²)]10^-3……(3)

式中：波长λ的单位为微米(μm)；温度t是测量石英波片时波片的温度(与环境温度相同)，其单位为℃。

本发明石英波片厚度测量方法是：在测定波片在环境温度t时，利用上述的色散关系式(3)，先算出一个全波片厚度d_λ0，接着确定被测波片粗略厚度(可用游标卡尺测定)，求出该波片所含的整数全波片的级数N。然后将波片放进测量装置中，装置器自动测出波片对工作波长λ₀的延迟δ、求出有效厚度d₀、算出实际的波片厚度D。

在每一次测量中，装置能自动使波片的光轴被置于与起偏器透射轴成45度、135度、225度、315度等四个特定角度，在这些角度上，相位延迟量δ相同，都可由下列关系得到。

$\mathrm{\δ}=2{\tan }^{-1}{(I_{\⊥}/I_{\left|\right|})}^{1/2}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$

式中tan^-1为反正切三角函数符号，I/I_‖分别为波片光轴在上述任一角度时，检偏器与起偏器正交或平行时检测器读出的光强。由测量的I

I_‖数值，计算机算出δ。每次测量中，有四个测量值进行平均，减少了测量误差。

本发明的技术解决方案如下：

一种石英波片厚度的测量装置，其特点是该装置由装置主体、接口卡和计算机构成，所述的装置主体包括激光束、该激光束经光束引导镜分成透射光束和反射光束，在透射光束方向是监测器，在反射光束方向依次是起偏器、待测波片置放台、检偏器和检测器，所述的监测器、待测波片置放台、检偏器和检测器通过屏蔽电缆经接口卡与计算机相连接。

利用上述石英波片厚度的测量装置测量石英波片厚度的方法，包括下列步骤：

(1)预备工作：确定环境温度t和所用光源的激光波长λ₀，用游标卡尺测量待测波片的厚度D′；

(2)启动计算机，输入激光波长λ₀、环境温度t和待测波片的厚度D′，计算机进行计算：

①全波片厚度d_λ0：将色散关系式，

n_e(λ₀)-n₀(λ₀)＝[8.86410+0.107057λ₀ ^-2+0.0019893λ₀ ^-4-0.17175λ₀ ²-10^-3t(1+t/900)(1.01+0.2λ₀ ²)]10^-3，代入下列公式

d_λ0＝λ₀/[n_e(λ₀)-n₀(λ₀)]；

②确定待测波片的级数N，求D′/d_λ0并取比值的整数N；

③计算机驱动检偏器，使所述的起偏器与检偏器正交，装置进入零点待测状态；

④将待测波片放在待测波片置放台的光路中；

(3)点击计算机启动测量：

①由计算机指令控制待测波片置放台的旋转，带动其上面的待测波片旋转，当检测器获得的光强为最小值时为止，这时待测波片的光轴与起偏器的透射轴的夹角为0°或90°；

②进行相位延迟δ测量，计算机控制待测波片置放台和其上面的待测波片旋转，使待测波片的逆时针转动45°，计算机指令驱动检偏器旋转，该检测器分别记录当检偏器与起偏器的透射轴平行或正交时的光强I_‖、I利用下列关系计算相位延迟量δ：

$\mathrm{\δ}=2{\tan }^{-1}{(I_{\⊥}/I_{\left|\right|})}^{1/2};$

③然后由计算机控制待测波片置放台和其上面的待测波片旋转，使待测波片逆时针转动90°，计算机重复指令驱动检偏器旋转，检测器分别记录当检偏器与起偏器的透射轴平行或正交时的光强I_‖、I

利用下列关系计算相位延迟量δ：

$\mathrm{\δ}=2{\tan }^{-1}{(I_{\⊥}/I_{\left|\right|})}^{1/2};$

④再重复步骤③两次，将上述四次测量的δ值，求平均δ；

⑤由下列公式求d₀

δ＝d₀{2π[n_e(λ₀)-n_o(λ₀)]}/λ₀；

⑥利用D＝N d_λ0+d₀，计算在环境温度t和所用光源的激光波长λ₀的实际的D＝N d_λ0+d₀值。

在给计算机输入特定的环境温度t₁和特定的光源的激光波长λ₁后，该计算机根据需要，利用色散关系进行数据处理，给出该石英波片在任何特定的环境温度t₁和特定的光源的激光波长λ₁时的有效厚度d₁和相位延迟量δ₁。

本发明的技术特点：

1、用本发明的石英波片厚度测量装置进行测量时，只要把波片放置在装置主体内待测波片置放台上的光路中，由计算机的程序自动操作，测量δ并给出实际厚度D。

2、本发明特别采用了温度修正，给出的厚度是测量环境下波片实际厚度，还可以设置为将来使用环境的温度，从而在实际使用波片时，其相位延迟更加准确。

附图说明

图1是本发明石英波片厚度测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明石英波片厚度测量装置，由装置主体1、接口卡2和计算机3构成，所述的装置主体1包括激光束1-1、该激光束1-1经光束引导镜1-2分成透射光束和反射光束，在透射光束方向是监测器1-3，在反射光束方向依次是起偏器1-4、待测波片置放台1-5、检偏器1-6和检测器1-7，所述的监测器1-3、待测波片置放台1-5、检偏器1-6和检测器1-7通过屏蔽电缆经接口卡2与计算机3相连接。

本实施例中，所述的激光束1-1由稳压和稳流电源激励的半导体激光器输出；光束引导镜1-2为直角全反射镜；所述的监测器1-3和检测器1-7是对激光束灵敏的硅光电池；所述的起偏器1-4和检偏器1-6是格兰棱镜；待测波片置放台1-5由高精度步进电机驱动。

利用上述石英波片厚度测量装置测量石英波片厚度的方法，包括下列步骤：

(1)预备工作：确定环境温度t和所用光源的激光波长λ₀，用游标卡尺测量待测波片的厚度D′；

(2)启动计算机3，输入激光波长λ₀、环境温度t和待测波片的厚度D′，计算机3进行计算：

①全波片厚度d_λ0：将色散关系式，

n_e(λ₀)-n₀(λ₀)＝[8.86410+0.107057λ₀ ^-2+0.0019893λ₀ ^-4-0.17175λ₀ ²-10^-3t(1+t/900)(1.01+0.2λ₀ ²)]10^-3，代入下列公式

d_λ0＝λ₀/[n_e(λ₀)-n_o(λ₀)]；

②待测波片的级数N，求D′/d_λ0并取比值的整数N；

③计算机3驱动检偏器1—6，使所述的起偏器1—4与检偏器1—6正交，装置进入零点待测状态；

④将待测波片放在待测波片置放台1-5的光路中；

(3)点击计算机3启动测量：

①由计算机3指令控制待测波片置放台1—5的旋转，带动其上面的待测波片旋转，当检测器1-7得到光强最小值时为止；

②进行相位延迟δ测量，计算机3控制待测波片置放台1—5和其上面的待测波片旋转，使待测波片逆时针转动45°，计算机3指令驱动检偏器1-6旋转，检测器1-7分别记录当检偏器1-6与起偏器1-4的透射轴平行或正交时的光强I_‖、I

利用公式 $\mathrm{\δ}=2{\tan }^{-1}{(I_{\⊥}/I_{\left|\right|})}^{1/2}$ 计算相位延迟量δ；

③然后由计算机3控制待测波片置放台1—5和其上面的待测波片旋转，使待测波片逆时针转动90°，计算机3重复指令驱动检偏器1-6旋转，检测器1-7分别记录当检偏器1-6与起偏器1-4的透射轴平行或正交时的光强I_‖、I

利用公式 $\mathrm{\δ}=2{\tan }^{-1}{(I_{\⊥}/I_{\left|\right|})}^{1/2}$ 计算相位延迟量δ；

④重复步骤③两次，将上述四次测量的δ值求平均δ；

⑤由下列公式求d₀

δ＝d₀{2π[n_e(λ₀)-n₀(λ₀)]}/λ₀；

⑥利用D＝N d_λ0+d₀，计算在环境温度t和所用光源的激光波长λ₀的实际的D＝N d_λ0+d₀值。

在给计算机3输入特定的环境温度t₁和特定的光源的激光波长λ₁后，计算机3根据需要，利用色散关系进行数据处理，给出该石英波片在任何特定的环境温度t₁和特定的光源的激光波长λ₁时的有效厚度d₁和相位延迟量δ₁。

本发明可用于各种石英波片厚度的测量，经试用表明，对标称的用于波长为532nm、1064nm、632.8nm、808nm的λ/4、λ/2、3λ/4及λ波片的测量，都得到了准确的厚度，其测量精度优于0.2μm。

本发明的石英波片厚度测量装置和测量方法有如下的优点：

1、测量时无需事先确定待测波片的光轴方向。

2、非接触测量波片，给出该波片的厚度和对任意波长的相位延迟量，以及对某一设定相位延迟量的偏差值。

3、给出的测量结果是波片所处环境温度下的实际厚度。

4、测量精度高，优于0.2μm。

5、可用于生产线监测，校正所制作的石英波片厚度。

6、自动化程度高。被测样品置于光路中，点击计算机鼠标，输入相应数据，点击“测量”，仪器就自动运行直到给出结果并存入计算机(以备查询)。一片波片的测量时间少于1分钟。

Claims (2)

1、一种石英波片厚度的测量装置测量石英波片厚度的方法，该方法使用的装置由装置主体(1)、接口卡(2)和计算机(3)构成，所述的装置主体(1)包括激光束(1-1)，该激光束(1-1)经光束引导镜(1-2)分成透射光束和反射光束，在透射光束方向是监测器(1-3)，在反射光束方向依次是起偏器(1-4)、待测波片置放台(1-5)、检偏器(1-6)和检测器(1-7)，所述的监测器(1-3)、待测波片置放台(1-5)、检偏器(1-6)和检测器(1-7)通过屏蔽电缆经接口卡(2)与计算机(3)相连接，其特征在于该方法包括下列步骤：

(1)预备工作：确定环境温度t和所用光源的激光波长λ₀，用游标卡尺测量待测波片的厚度D′；

(2)启动计算机(3)，输入激光波长λ₀、环境温度t和待测波片的厚度D′，计算机(3)进行计算：

①全波片厚度d_λ0：将色散关系式，

n_e(λ₀)-n_o(λ₀)＝[8.86410+0.107057λ₀ ^-2+0.0019893λ₀ ^-4-0.17175λ₀ ²-10^-3t(1+t/900)(1.01+0.2λ₀ ²)]10^-3，代入下列公式

d_λ0＝λ₀/[n_e(λ₀)-n₀(λ₀)]；

②确定待测波片的级数N，求D′/d_λ0并取比值的整数N；

③计算机(3)驱动检偏器(1—6)，使所述的起偏器(1—4)与检偏器(1—6)正交，装置进入零点待测状态；

④将待测波片放在待测波片置放台(1-5)的光路中；

(3)点击计算机(3)启动测量：

①由计算机(3)指令控制待测波片置放台(1—5)的旋转，带动其上面的待测波片旋转，当检测器(1-7)得到光强最小值时为止；

②进行相位延迟δ测量，计算机(3)控制待测波片置放台(1—5)和其上面的待测波片旋转，使待测波片的逆时针转动45°，计算机(3)指令驱动检偏器(1-6)旋转，检测器(1-7)分别记录当检偏器(1-6)与起偏器(1-4)的透射轴平行或正交时的光强I_‖、I_⊥，利用公式δ＝2tan^-1(I_⊥/I_‖)^1/2计算相位延迟量δ；

③然后由计算机(3)控制待测波片置放台(1—5)和其上面的待测波片旋转，使待测波片逆时针转动90°，计算机(3)重复指令驱动检偏器(1-6)旋转，检测器(1-7)分别记录当检偏器(1-6)与起偏器(1-4)的透射轴平行或正交时的光强I_‖、I_⊥，利用公式δ＝2tan^-1(I_⊥/I_‖)^1/2计算相位延迟量δ；

④重复步骤③两次，将上述四次测量的δ值求平均δ；

⑤由下列公式求d₀

δ＝d₀{2π[n_e(λ₀)-n_o(λ₀)]}/λ₀；

⑥利用D＝N d_λ0+d₀计算在环境温度t和所用光源的激光波长λ₀的实际的D＝N d_λ0+d₀值。

2、根据权利要求1所述的测量石英波片厚度的方法，其特征在于在给计算机(3)输入特定的环境温度t₁和特定的光源的激光波长λ₁后，计算机(3)根据需要，利用色散关系进行数据处理，给出该石英波片在任何特定的环境温度t₁和特定的光源的激光波长λ₁时的有效厚度d₁和相位延迟量δ₁。

Images