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外腔可调激光器的外腔改善及线宽测量研究

外腔可调激光器的外腔改善及线宽测量研究

作者：崔明斌山东大学

学位级别：硕士

外腔可调激光器凭借优良的性能已在相干光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用,但随着技术的发展,也对其提出了更高的性能要求。可调激光器的外腔对输出激光的性能起着决定性作用。激光要获得单模输出、线宽更窄、连续可调谐范围更大、... 详细信息

外腔可调激光器凭借优良的性能已在相干光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用,但随着技术的发展,也对其提出了更高的性能要求。可调激光器的外腔对输出激光的性能起着决定性作用。激光要获得单模输出、线宽更窄、连续可调谐范围更大、输出功率更高且更稳定的光源,就需要对激光器的外腔进行了不断地改进。线宽是评价激光器性能的重要指标,激光器的线宽水平也关系着应用系统的性能,尤其是在光学测量和光通信等领域,线宽的大小决定着光通信的质量和水平,并对光学测量的距离、精度和灵敏度等有着至关重要的影响。因此,研究激光线宽精确测量与表征具有重要意义。本文围绕窄线宽外腔可调谐激光器的外腔改善及线宽测量进行了系统研究。首先对外腔可调激光器的外腔的滤波器件进行了改进,提出一种基于平行潜望镜的外腔滤波组合体,并对其进行了原理分析和理论推导,给出了理论分析模型。梳理综述了激光器的线宽测量方法,对延时自外差法进行了深入探究,并针对1kHz以下的线宽检测,给出了一种基于FRM（法拉第旋转镜）的线宽测量方案,并进行了原理分析和实验探究。本论文的具体研究内容和成果如下:一是介绍了外腔可调激光器的工作原理,并对可调激光器各关键元件进行了分析介绍。提出并研究了一种可调激光器的新型外腔滤波器件,该滤波器件由平行潜望镜、标准具和窄带滤光片组成。本文研究分析了它的选模原理,并验证了波长调谐功能。分析表明:此设计在进行波长调谐时对于转轴点无依赖性,可提高激光器的稳定性,防止跳模现象发生,具有实际工程应用价值;此外,新型滤波做合体通过三腔耦合实现双重滤波锁模可进一步压窄线宽。本文研究推导了无跳模理想调谐条件下外腔的各参数（潜望镜入射角、平行潜望镜之间的距离、腔镜之间的距离,标准具入射角）关系。根据新型外腔设计各参数的理论分析和推理,对基于新型外腔设计的输出波长为650nm的激光器进行了光路的设计、仿真和优化,并分析了无跳模可调谐范围。二是介绍了激光线宽理论,并分析了线宽测量方法的工作原理。根据原理的不同,将线宽测量方法分成了两大类:基于信号功率谱的线宽测量方法和基于相位噪声谱的线宽测量方法。通过表格的形式对线宽测量方法的优缺点和对应检测范围进行了梳理和对比。对常用的延时自外差法进行了原理分析和仿真模拟,并搭建试验系统对其进行验证,分析了实验结果,并对测量结果的误差进行了仿真和分析,明确了传统方法不能实现1kHz以下线宽测量的具体原因和限制性因素。三是针对目前越来越多低于1kHz的线宽测量测量需求,本文给出了一种改进的基于部分相干光干涉的双参数线宽测量方法,搭建实验系统对其进行了验证,并对实验结果的误差进行了分析,对系统优势进行了总结分析。

关键词：外腔可调激光器外腔设计平行潜望镜线宽测量

发挥蝙蝠翼高频脉冲特性的微结构线宽超分辨测量方法

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光学学报 2024年

作者：徐志毅范筱昕张佳乐周圣航郭珍艳朱丹高志山袁群南京理工大学电子工程与光电技术学院

白光显微干涉是阶跃型微结构三维形貌无损测量的经典方法，但其低通滤波特性使阶跃边缘本应突变的三维形貌被平滑，导致边缘定位困难，影响线宽参数的计算提取。当微结构深度在光源相干长度内时，蝙蝠翼效应使阶跃边缘处的复原形貌产生... 详细信息

白光显微干涉是阶跃型微结构三维形貌无损测量的经典方法，但其低通滤波特性使阶跃边缘本应突变的三维形貌被平滑，导致边缘定位困难，影响线宽参数的计算提取。当微结构深度在光源相干长度内时，蝙蝠翼效应使阶跃边缘处的复原形貌产生尖锐脉冲。蝙蝠翼脉冲是三维形貌中的伪信号，但其高频特性更利于阶跃边缘的识别。微结构线宽为两阶跃边缘各自对应蝙蝠翼脉冲高度峰值位置的间距。然而，三维形貌空间采样频率受成像艾里斑和探测器像素大小限制，在线宽测量方向上通常仅有数个像素点受蝙蝠翼效应影响，通过蝙蝠翼脉冲高度峰值定位，线宽测量精度仅有像素级别。本文建立了针对蝙蝠翼效应及其离散采样特性的白光干涉信号数值仿真模型，发掘了与线宽正交方向上样品阶跃边缘形貌的空域缓变特性，等效提高了蝙蝠翼脉冲在该方向的采样频率。据此提出了一种基于蝙蝠翼高度峰值位置高精度定位的微结构线宽超分辨白光干涉测量方法，并依据实测条件分析了样品位姿对测量精度的影响。以RSN标定板为样品，采用成像艾里斑半径约为0.590μm的测量系统，利用本文方法实测标定线宽2至6μm的光栅区域线宽结果与标定值偏差小于0.021μm，实验结果证明该方法可以实现远高于系统横向分辨率的线宽超分辨测量。

关键词：线宽测量超分辨白光干涉蝙蝠翼效应信号采样

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用于线宽测量的双探针原子力显微镜

计量学报 2017年第S1期38卷 18-24页

作者：王鹤群李伟李琪施玉书李适高思田中国计量科学研究院北京100029

双探针原子力显微镜可以有效地消除传统原子力显微镜的探针形状对线宽测量的影响,实现线宽的真三维测量。双探针原子力显微镜测量装置由测头系统、双探针扫描系统、视觉对准系统、位移测量系统构成。测头系统中采用了自感应式音叉探针... 详细信息

双探针原子力显微镜可以有效地消除传统原子力显微镜的探针形状对线宽测量的影响,实现线宽的真三维测量。双探针原子力显微镜测量装置由测头系统、双探针扫描系统、视觉对准系统、位移测量系统构成。测头系统中采用了自感应式音叉探针简化结构。双探针测量方法共分为2步:第1步,通过2探针的接触对准确定测量坐标零点;第2步,2探针分别扫描待测线宽两侧壁,根据已确定的坐标零点拼合2次扫描所得的位移数据,从而计算可得线宽值。接触对准中,利用了图像边缘提取定位和针尖反馈扫描对准相结合的探针对准方法,提高了对针精度。

关键词：计量学双探针原子力显微镜线宽测量

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基于短光纤循环自外差法的激光线宽测量

光学学报 2021年第7期41卷 81-86页

作者：高静焦东东刘杰邓雪臧琦张翔王丹张晓斐刘涛中国科学院国家授时中心时间频率基准重点实验室陕西西安710600 中国科学院大学北京100049

提出了一种基于短光纤循环延迟自外差技术测量亚千赫兹激光器线宽的方法。采用延迟长度仅为2 km的循环延迟自外差干涉仪,实现了一系列不同延迟时间拍频信号的同时测量。通过仿真拟合了多组高阶拍频信号的功率谱,获得激光器的平均线宽为9... 详细信息

提出了一种基于短光纤循环延迟自外差技术测量亚千赫兹激光器线宽的方法。采用延迟长度仅为2 km的循环延迟自外差干涉仪,实现了一系列不同延迟时间拍频信号的同时测量。通过仿真拟合了多组高阶拍频信号的功率谱,获得激光器的平均线宽为944 Hz,该结果与传统拍频法测得的激光线宽基本一致。所提方法不仅可以避免单次测量误差,而且能有效减小1/f频率噪声引起的频谱加宽,可精密测量窄线宽激光器的线宽。

关键词：测量窄线宽激光器线宽测量循环延迟自外差法短延迟光纤拍频信号

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紫外纳米线宽测量系统及线宽边缘的准确评估

紫外纳米线宽测量系统及线宽边缘的准确评估

作者：周奇浙江理工大学

学位级别：硕士

随着微纳制造技术的发展,微电子集成电路、晶体管、芯片等零部件的尺寸精度已经迈入纳米结点,而掩膜版作为微纳器件的制作母版,其几何结构尺寸的微小偏差将导致器件功能和性能的失效,其中几何尺寸中的线宽值和线间距是制造精度的重要参... 详细信息

随着微纳制造技术的发展,微电子集成电路、晶体管、芯片等零部件的尺寸精度已经迈入纳米结点,而掩膜版作为微纳器件的制作母版,其几何结构尺寸的微小偏差将导致器件功能和性能的失效,其中几何尺寸中的线宽值和线间距是制造精度的重要参数,因此在微纳器件制造中必须对纳米级几何尺寸进行精密检测。光学显微测量法由于其非接触、高精度、高分辨率、速度快等特点,是微纳几何尺寸测量的主要方法。本论文在中国计量科学研究院的“紫外微纳几何结构标准装置”基础上对线宽测量系统进行研究,主要研究内容如下:(1)综合分析了国内外纳米技术及纳米结构尺寸测量技术的研究现状,介绍了国内外的纳米结构尺寸测量装置,阐述了紫外光学纳米线宽测量装置研究的必要性。(2)描述了紫外光学线宽测量光路及原理,基于科勒式照明原理,组装了高数值孔径的紫外聚束镜,实现了50μm半径的圆域照明视场及0.67的数值孔径。设计了分光结构及调节机构,分光结构由分光镜、调节基座、小孔位置调节机构组成。调节基座可以实现分光镜偏摆的调节,保证了物面上的待测区域成像在紫外CCD的感光面上,实现了测量过程的可视化操作;小孔位置调节机构可实现纳米级的孔位置调节,保证物像共轭关系,实现了PMT接收线宽栅格条纹的最大光通量。制作了高性能I/V转换放大电路,可以实现百nA级电流检测,用于线宽信号的转换和提取。(3)为实现对栅格掩膜版线宽的精确扫描,对自制纳米位移台的运动性能进行了评估及校准。基于激光外差干涉测量方法设计了一套位移台性能测量系统,研究了纳米位移台的校准方法;位移台未校准时,PZT的伸长量和位移台的位移量存在不一致现象,即位移机构存在非线性,当PZT伸长至100μm时,位移台的X轴和Y轴方向的测试位移分别为95.947μm、97.075μm,X轴和Y轴的最大误差分别为4.053μm、2.925μm,根据测量结果提出了一种多项式拟合的非线性校准方法,并比较了全行程内三阶拟合校准方法和三阶分段拟合校准方法的有效性,位移台校准后,X轴和Y轴方向的最大非线性误差分别为15nm、17nm,由测量结果可知三阶分段拟合校准更加有效且能够使误差降低99%,评估了位移台的往返一致性、耦合位移及角摆。(4)为实现对线宽测量装置硬件的集中控制,基于MFC框架编写了各个硬件的控制软件,实现了对纳米位移台、相机、数据采集卡等硬件的有效、稳定的控制。最后利用完成的线宽测量装置对2μm线宽栅格掩膜版进行了测量实验,采用FDTD Solutions建立掩膜版线宽模型进行仿真,由仿真结果可知,可取归一化光强的30%处作为线宽边缘。根据获得的栅格边缘阈值,计算出8组实验的线宽值并得到线宽测量平均值为2156.57nm,验证了构建的紫外纳米线宽测量装置及评估方法的有效性和可行性。

关键词：激光干涉仪纳米位移台线宽测量 MFC FDTD理论分析

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平视显示器字符亮度及线宽测量系统

传感技术学报 2014年第7期27卷 988-992页

作者：谢建英吕骏王晓龙王灵刚中航工业洛阳电光设备研究所河南洛阳471009 中航工业成都飞机设计研究所成都610041

传统平视显示器字符亮度及线宽测量方法采用人工点对点式测量,费时,工作量大,测量结果易受主观因素影响。为实现标准化自动快速测量,本文提出了基于CCD式亮度计的字符亮度及线宽的测量系统。通过对平视显示器字符显示特性分析,确定了测... 详细信息

传统平视显示器字符亮度及线宽测量方法采用人工点对点式测量,费时,工作量大,测量结果易受主观因素影响。为实现标准化自动快速测量,本文提出了基于CCD式亮度计的字符亮度及线宽的测量系统。通过对平视显示器字符显示特性分析,确定了测量系统中的亮度测量的关键参数和线宽测量的高斯拟合半亮度线宽算法,并结合六自由度电控旋转平移台搭建了相应的测量系统,最后通过亮度测试和线宽测试实验验证了本系统的可靠性与准确性。

关键词：亮度测量线宽测量 CCD式亮度计平视显示器( HUD) 高斯算法

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基于平移差分的微结构线宽显微测量方法

光子学报 2023年第2期52卷 1-10页

作者：马剑秋高志山袁群郭珍艳孙一峰雷李华赵琳南京理工大学电子工程与光电技术学院南京210094 上海市计量测试技术研究院上海201203 中国电子科技集团公司第十三研究所石家庄050051

从显微成像测量线宽的理论模型出发,分析了限制测量精度的边缘定位误差因素,基于阶跃边缘衍射光强微分的灵敏探测原理,提出一种平移差分的微结构线宽显微测量方法,即使用压电陶瓷微位移平台微量移动待测微结构沟槽,两步平移并采集三幅... 详细信息

从显微成像测量线宽的理论模型出发,分析了限制测量精度的边缘定位误差因素,基于阶跃边缘衍射光强微分的灵敏探测原理,提出一种平移差分的微结构线宽显微测量方法,即使用压电陶瓷微位移平台微量移动待测微结构沟槽,两步平移并采集三幅对沟槽清晰成像的显微图像,显微图像依次相减得到两幅差分图,将线宽测量转为差分脉冲距离测量,利用差分脉冲在阶跃边缘附近梯度变化灵敏度高的特点,突破衍射极限,提高线宽测量精度;再用纳米精度压电陶瓷位移台标定与显微成像系统有关的倍率测量常数,以压电陶瓷位移台的高精度保证测量结果的准确性。以可溯源计量部门、线宽为30.00μm的标准沟槽样板作为待测样品,10次测量得到线宽测量平均值30.03μm,标准差0.005μm,并对本方法进行了不确定度分析,最终得到合成不确定度为0.37%(k=1)。

关键词：线宽测量光学显微平移差分测量精度衍射极限

基于互相关方法的2um波段窄带激光线宽测量系统研究

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基于互相关方法的2um波段窄带激光线宽测量系统研究

作者：王舒伦北京交通大学

学位级别：硕士

窄线宽光纤激光器凭借其输出激光良好的单色性与相干性,以及其在各个应用场景下的应用优势,目前已经成为了光电子技术中最受瞩目的研究领域之一。而作为其中的新兴领域,2μm光纤激光器凭借其在大气中的超低吸收率,在激光测距、相干激光... 详细信息

窄线宽光纤激光器凭借其输出激光良好的单色性与相干性,以及其在各个应用场景下的应用优势,目前已经成为了光电子技术中最受瞩目的研究领域之一。而作为其中的新兴领域,2μm光纤激光器凭借其在大气中的超低吸收率,在激光测距、相干激光雷达中的应用也已引起人们的广泛关注。窄带光纤激光器的一项重要的评价标准就是输出激光线宽,而目前针对2μm波段的窄带激光线宽的测量手段却十分匮乏,并且即使以传统的测量手段对2μm波段的窄带激光进行测量,也会由于系统噪声等原因造成测量极限的约束。本文的主要工作如下:(1)从肖洛—汤斯线宽理论出发,从激光线宽原理的角度对线宽的产生、表征以及影响因素进行了介绍,并以理论配合仿真的形式描述了目前窄带激光中的主要线宽展宽成分——1/f噪声,并简明地介绍了线宽测量中用于数据处理的β算法。(2)根据传统线宽测量方法存在的缺陷以及在2μm波段线宽测量中的局限性,将常用于滤除信号噪声的互相关理论与传统线宽测量方案的核心思想相结合,提出了一种新型的基于互相关方法的窄带激光线宽测量方案,并分别从测量理论与仿真实验的角度对该方案进行了分析,证明了该方案的可行性。(3)对传统方法以及互相关法测量窄带激光线宽进行实验分析,获得不同测量方案的测量结果,并将测量结果进行比对,最终验证本文提出的新型测量方案对于测量极限的提升。

关键词：线宽测量窄线宽光纤激光器相位噪声互相关

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纳米尺度下LER对线宽测量结果影响的研究

纳米尺度下LER对线宽测量结果影响的研究

作者：张强哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

集成电路的刻线线宽测量是目前微纳计量领域的热点。主要研究的是对纳米尺度的刻线尺寸以及它的表面因素参数进行表征的技术,表征尺寸一般在几十到数百纳米。目前迅猛发展的半导体行业对集成电路的集成度越来越高的要求推动着这项技术... 详细信息

集成电路的刻线线宽测量是目前微纳计量领域的热点。主要研究的是对纳米尺度的刻线尺寸以及它的表面因素参数进行表征的技术,表征尺寸一般在几十到数百纳米。目前迅猛发展的半导体行业对集成电路的集成度越来越高的要求推动着这项技术的不断发展。但是,光刻技术的不断进步带来的集成电路的刻线尺寸减小到纳米级别的同时,线边缘粗糙度(Line Edge Roughness,LER)却并不随着刻线尺寸而减小,这主要是由于制造工艺本身导致的。LER在线宽加工误差中所占比重不断增加,因此研究LER对线宽测量的影响极为重要。原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)由于其高分辨率和对测量样本材料的高度适应性而成为现在线宽测量领域的一个重要工具。本文针对目前LER对线宽测量的影响越来越大的情况,通过对于纳米线宽边缘粗糙度的测量和表征来研究线宽边缘粗糙度对线宽测量结果的影响。本文简要介绍了AFM的工作原理、仪器结构和工作模式,分析了它在线宽测量中的应用以及对测量图像影响较大的一些因素并提出了相应的校正方法。探讨了目前纳米线宽测量领域中针对这些问题所出现的研究趋势,为纳米线宽测量的更深入的研究工作打好基础。本文采用了一个改进的线边缘形貌测量方法,通过对纳米线宽的底部、中部和顶部三条线宽以及对应的六个关键点的测量。对线边缘粗糙度进行了准确表征。并利用Matlab对AFM扫描图像中提取出的6条关键点组成的线边缘进行了统计和核算,详细分析了线边缘粗糙度对于线宽测量的影响,研究了不同测量方法的线宽测量值不同的原因,并且建立了线边缘形貌影响线宽测量值的理论模型,研究了线边缘对局部线宽和平均线宽的不同影响。阐述了样本位置误差的计算和修正方法。用AFM测量了刻线样本的不同区域。依据测量不确定度估计的相关理论,提出了评定包括来源于图像倾斜校正等多种误差的不确定度方法,建立了使用Innova型AFM测量线宽的不确定度估计体系,并进行了相关评定。合成了刻线顶部、中部、底部线宽的标准不确定度并且计算了扩展不确定度。

关键词：线宽测量线边缘粗糙度原子力显微镜不确定度