隨著智能制造技術的不斷深入，在許多應用中，厚度測量的能力至關重要，從實驗室到在線環(huán)境中，要求設備具備實時模式測量功能。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。按照技術路線不同，光學測量又分高相干激光測量-雙波長超外差探測1，和低相干干涉測量兩大類。低相干干涉術（LCI）是***種基于白光干涉術的測量技術，使用低相干光源來獲得高度準確的距離測量。隨著工業(yè)環(huán)境中要求堅固、準確、用戶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(jiān)測、膠片基底厚度均勻性、數碼相機焦點評估、光學單元路徑長度評估以及CCD成像儀和晶片表面輪廓測繪。第***代儀器是采用自相關器配置的邁克爾遜干涉儀。由直流電機驅動的機械組件通過使干涉儀臂中的回復反射器往復運動來產生路徑長度變化。為了提高測量精度，使用基于激光源的第二干涉儀實現，該激光源與低相干干涉儀具有相同的光學路徑。使用頻率穩(wěn)定的氦氖激光器產生穩(wěn)定的干涉條紋信號，作為數據采集的參考“時鐘”。該“時鐘”沿路徑長度變化以恒定間隔產生觸發(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的光學器件和氦氖激光器。此系統(tǒng)中，干涉儀沒有運動部件，使用了壽命長、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，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，稱為歸***化自相關函數，表示在探測器處觀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，合成強度隨路徑長度差的變化呈正弦曲線，如圖1左上所示。然而，隨著相干度的降低，強度變化的幅度減小，并且只有當兩個臂的路徑長度緊密匹配時，即τ接近零時，才會觀察到強度變化。

圖1：邁克爾遜干涉儀

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

圖2顯示了透明樣品兩個表面反射產生的兩個波包，***個來自表面1，另***個來自面2。第二波分組相對于第***分組延遲了光學厚度（OPL）。樣品的光學厚度（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(zhí)行的輸入信號自相關產生的干涉圖如圖所示。通過在50/50分束器處生成兩個相同的輸入信號來執(zhí)行自相關。兩束光進入干涉儀的兩個臂，從鏡子反射，并在分束器處重新組合以相互干涉。兩個光束所遇到的光程長度的差異由涉儀臂的長度決定。通過同步掃描鏡子，以周期性的方式調整臂長，使得***個臂的臂長增加，另***個臂相應減少。低相干自相關顯示出三個峰值，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度時，會出現干涉。在這種情況下，來自樣品的反射波包在通過干涉儀傳播后會相互干擾（即來自Arm 1的波包1會與來自Arm 2的包1發(fā)生干涉，來自Arm1的波包2會與來自Arm 2的包2發(fā)生干涉）。移動掃描臂時，干涉儀臂中的路徑長度變得不匹配，由于源的低相干性，條紋可見度降低。它***終達到零，直到路徑長度變化等于樣品厚度的OPL。當這種情況發(fā)生時，另***個條紋可見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現，每種配置都會產生弱條紋。當來自臂1的波包1與來自臂2的波包2發(fā)生干涉時，就會實現這種情況，反之亦然。

圖3：兩個光源信號的自相關

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

離開光纖展寬器的光被法拉第鏡反射回展寬器，再次穿過展寬器（法拉第鏡是被動器件，反射相對于輸入光偏振旋轉變化90°的光，與初始偏振態(tài)無關）。為了使干涉信號的條紋可見度***大化，返回光束的偏振態(tài)須相同。已經表明，光纖展寬器會引起靜態(tài)和動態(tài)雙折射，從而破壞偏振態(tài)。12法拉第鏡通過執(zhí)行相位共軛來補償光纖展寬器中動態(tài)彎曲引起的雙折射，有助于大限度地提高條紋可見度。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50/50分光器離開干涉儀。兩個干涉信號，***個由SLED產生，另***個由激光器產生，由WDM（圖中的WDM 2）分離。來自SLED和激光器的條紋信號由不同的光電二極管檢測。激光器產生的信號由過零檢測電路處理，該電路產生脈沖，用于“計時”低相干源產生的信號的模數（A/D）轉換。***旦低相干條紋信號被數字化，它就會在軟件中解調，并實時計算和顯示光學厚度。

(文章來源于儀器網)