[实用新型]同时测量厚度与折射率的激光干涉测量仪

说明书

本实用新型涉及到同时测量厚度与折射率的激光干涉测量仪，特别适用两表面都有反射或后向有散射的物体。

由于通过干涉仪测量物体的厚度获得的是由光程差决定的光学厚度，所以很有必要寻找一种装置精密测量物理厚度和折射率。美国麻省理工大学的Tearney G.J等人提供了基于光学相干层析成像系统的同时测量物体物理厚度和折射率的装置，(参见在先技术[1]G.Tearney,M.Brezinski,J.Southern,B.Bouma,M.Hee,and J.Fujimoto,“Determination ofthe refractive index of highscattering human tissue by optica1 coherence tomography,”Opt.Lett.20(21),1995,2258-2260.)如图1所示。它包括超辐射激光二极管(简称SLD)的光源1和干涉仪部分。光源1发出的光束耦合到单模光纤中，作为2×2路3dB耦合器2的第一路201，经耦合器2后光束一路被等分成两路，一路203从光纤出来被透镜3准直照射到参考反射镜4上，另一路202从光纤出来经第一透镜5和第二透镜6组成的共焦系统照射到置于样品扫描架701上的被测物体7，两路光分别从反射镜4和样品扫描架701上的被测物体7反射回来的光束分别由203路和202路进入光纤在耦合器2中重新会合，发生干涉，并从耦合器2的第四路204输出。干涉信号被接收元件8转换为电信号，经解调元件9解调，模数转换器10转换为数字信号后送入计算机11进行数据处理。测量过程是首先，使第二透镜6聚焦在被测物体7的前表面，调节干涉仪两臂光程差为零。再沿光轴向着第二透镜6移动被测物体7，使第二透镜6聚焦在被测物体7的后表面，被测物体7位移为△z。移动参考反射镜4距离z，，使干涉仪两臂重新等光程。如图2所示，根据等光程原理有

           nt=z+△z，(1)n和t分别是被测物体7的折射率和物理厚度。入射光在被测物体7与空气界面发生折射，由斯涅尔定律，可得方程

     sinθ=nsinφ，(2)θ和φ分别是被测物体7空气界面的入射角和折射角。考虑折射光线、法线和被测物体7界面组成的三角形中的几何关系，有：

        dtanφ=△ztanθ。(3)联合式(2)和(3)可得，                n sin [ tan - 1 ( nztgθ z + Δz ) ] = sin θ , ( 4 ) ]]>其中sinθ由第一和第二透镜5、6的数值孔径给出。这样根据测得的位移量可从(4)式获得被测物体7的折射率，再利用(1)式同时获得被测物体7物理厚度。由于此装置要求对被测物体7和参考臂进行扫描，因而需要5到60秒较长的测量时间，无法做到实时测量。且由于采用的是宽带SLD作为光源1使被测物体7发生色散，影响测量结果准确性。光源1的SLD工作在非激光状态，其低功率输出也限制了装置的灵敏度，不利于弱反射被测物体的测量。