封面解读

       封面展示了一项飞秒激光频率梳微纳测量技术，用于解决微结构器件中的深沟槽测量问题。该技术基于双光梳绝对测距原理，通过飞行时间法直接获取微沟槽的深度，结合电控光学采样技术提高测量的更新速度。实验测量了硅基微机械结构中的深度约为70微米的凹槽，更新速度最高达到200 kHz，经过4100次平均，测量精度优于20 nm。

《光学学报》2023年第03期封面文章 |薛睿; 武子铃; 董佳琦; 胡明列; 宋有建. 基于电控光学采样的飞秒激光距离测量系统[J]. 光学学报, 2023, 43(03): 0312002.

导读

       本文基于电控光学采样原理开展了飞秒激光飞行时间绝对距离测量的实验研究，提出了一种控光学采样与飞行时间法相结合的双光梳飞行时间测距技术，兼具大测程、高精度、高速度的特点，并展示了该技术在硅基微结构器件深凹槽测量中的应用。

研究背景

       由于兼具量程大、精度高、更新速度快、可在线溯源至时间基准等优势，飞秒激光频率梳绝对测距技术获得了广泛关注。伴随着飞秒激光频率梳测距原理的不断突破，该技术在大尺寸测量、微纳检测这两个前沿领域的应用正在加速扩张。

       日新月异的微纳技术，对大台阶、深沟槽等复杂结构的测量提出了严苛的要求。针对传统的激光干涉法、白光干涉技术的测量范围受限的问题，本文提出一项利用双光梳飞行时间法进行高精度微沟槽测量的技术手段。双光梳测量系统，利用两台重复频率有微小差异的飞秒激光器作为光源，通过二者在时域上不断相遇和走离，进行异步光学采样，从而准确提取飞秒脉冲飞行时间。

       基于异步光学采样的双光梳测距系统虽然具有很大的测程，但是只有数kHz的测量更新速率，无法满足大部分微纳测量场景对测量速度的要求。为了打破更新速率的限制，本论文提出一种电控光学采样与飞行时间法相结合的双光梳飞行时间测距技术，兼具大测程、高精度、高速度的特点，并展示了该技术在硅基微结构器件深凹槽测量中的应用。

双梳微纳测量系统

       电控光学采样原理使用了两台重复频率一致的激光器作为光源，其中一台激光器腔内加入电光调制器（EOM），命名为本振激光器，另一台命名为信号激光器。通过腔内EOM对本振激光器施加调制，令其输出脉冲在信号激光器的输出脉冲的两侧进行走离，产生可控且高效的光学采样。如图1所示，本振光在信号光的两侧指定范围内进行往返走离扫描，从而对这一段指定窗口进行放大，其更新速率不再受到重频差的限制，只与施加给EOM的调制频率相关，改善了有效信号占空比低的问题，提升了数据的更新速率。

图1 电控光学采样原理示意图

       本课题组搭建了基于电控光学采样的双梳微纳测量系统，如图2所示。整个测距系统分为光源模块、激光器同步模块、测距模块和数据采集与处理模块四个部分。两台激光器的输出光分为两部分，一部分进入激光器同步模块，用来进行重复频率的锁定，另一部分进入测距模块，用来产生测距信号，进行距离解算。

图2 测距系统示意图

       首先，本课题组对该套系统的测试性能进行了测量，如图3所示，分别对系统的重复性、再现性、稳定性和准确性进行了测试。给EOM施加±200 V电压、频率为100 kHz、占空比为0.5的方波调制，图（a）展示了系统的重复性，对41 μm的固定位置进行了更新速率为200 kHz的10000次的重复性测量，此时的标准差为938 nm。经过100点的滑动平均后，标准差降至100 nm，系统重复性良好。当更新速率为200 kHz时，测量精度为1.14 μm，当平均时间达到20.5 ms时，对应于4100次单次测量平均后的结果，测量精度可以提高至16.7 nm，如图（c）所示，随着平均时间的延长，测试精度不断提升，系统稳定性良好。在保证其他条件不变的条件下，给EOM施加不同调制电压。将每次测量结果均经过2050次平均，测量标准差为417.2 nm，如图（b）所示。

       由此可见，虽然改变调制电压会带来测量范围的变化，但是同一位置的测量结果具有良好的再现性。为了验证此套测距系统测量结果的准确性，将目标镜以10 μm为步长进行移动，每次测量结果均经过2050次的平均。对比测量结果如图（d）所示，系统测量精度在百纳米级，残差分布在±528 nm以内。

图3 系统性能测试。（a）系统重复性测试；（b）系统再现性测试；（c）系统稳定性测试；（d）系统准确性测试

       利用此套系统对硅基的微机械结构中宽度为30 μm的凹槽进行了凹槽深度分析，待测样品如图4（b）中所示，以30 μm为步长，对该凹槽进行了10个位置的深度的测量。每次测量时间为20.5 ms，对应于2050次平均后的结果，测量结果如图（a）所示。经测量，凹槽的平均深度为67.6 μm，标准差为1.19 μm。

图4 凹槽深度分析。（a） 凹槽深度测量结果；（b）微机械器件

后续工作展望

       本文将电控光学采样应用于微纳测量领域，并展示了该技术在微机械结构中的凹槽、台阶测量中的应用前景。目前，该实验装置依赖两台重复频率严格锁相的飞秒激光频率梳，结构相对复杂，对实验环境的防振、隔热具有一定要求，这是双光梳技术走向实用化所面临的最大障碍。后续工作的重点是简化双光梳异步采样技术的实验方案，尝试探索基于单台飞秒激光器的双光梳双波长锁模等技术路线，搭建结构简单、易于操作的测量仪器，满足微纳制造工业领域的在线检测需求。