LD自动系统资料要点

15一、LD 光源的功率输出稳定度考察LD 光源的输出功率稳定度对厚度测量精度的影响。

假设稳定度为ω，即输出光功率的变化在ω以内。

由以上的分析可知，激光器功率的变化产生的影响在波峰或波谷处最大。

所以我们来考察波峰处，21221max ρρρρρ++= （3-13）如果这时输出光功率突然有个ω的改变，即反射比变化max ρω，为了达到检测精度，光源稳定度的影响有：max ρω<ρ∆ 即 max ρρω∆<（3-14） 同理，在波谷处 min ρρω∆< （3-15）综合得max ρρω∆<（3-16） 对于GaN –Sapphire ，波长655nm ，max ρ＝0.254 ，由（3-12）可得ε＝1nm 时，ω<0.4/1000 ；ε＝1nm ，ω<1.3/1000 。

可以看出对光源的稳定性要求很高，很难达到。

我们考虑多次测量的情况。

在波峰处，反射率的值应该分布在max ρ周围±max ρω以内，即单次测量反射率误差最大为max ρω，由于薄膜沉积速率较慢（零点几nm 每秒），我们可以认为在极短时间内测得的多个值反映的薄膜厚度近似相等。

设对应同一薄膜厚度有N 个反射率的测量值，对其取平均，反射率测量误差将减小到max ρω/N 。

所以有： max ρρω∆<N （3-17）由上式在2nm 精度下，如果N=100，则对稳定度的要求可以下降到±1.3%。

这同样是个较高的标准，所以必须设计功率高度稳定的LD 激光器。

二、激光器的频谱漂移同样考虑在波峰处，在波峰处，频谱突然漂移λ∆±（正的代表波长增加，负的表示减小），薄膜的折射率变化可以忽略，这时，反射率为 λλπρρρρρ∆±++=02)(4cos 21221'k f t h n （3-18） 所以 ))2cos(1(2'021λλλπρρρρρλ∆±∆-=-=∆ （3-19）检测精度要求： ρρλ∆<∆ 即 ελελλ200222n n +<∆<ε22n （3-20） GaN 薄膜：0λ＝655nm ，ε＝1nm 时，min λ∆＝4.6nm ，ε＝2nm 时，max λ∆＝ 9.2nm 。

三、LD 的输出光功率范围光电系统可以看作是光能的传递和接收系统。

辐射能从目标(辐射源)发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。

光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标。

设LD 激光器输出功率为i P ，探测器使用Si 光电二极管（其能响应0.4-1.1微米的光，在0.7-0.9um 响应度最大），其在波长λ下的响应度为)(R e λ，反向偏压R V ，暗电流为D I ，最大允许电流p I 。

只有当信噪比>1时，信号量才能被提取出来，即照射到探测器上的光功率必须大于噪声等效功率：NEP P i >ρ （3-21）同时 p i I P <)(R e λρ （3-22） 即 )Re(/λρρp i I P NEP << （3-23） 由于我们的多光束激光其中一束入射到Si 探测器中，大部分入射到CCD 上，所以要考虑CCD 的饱和问题。

由于CCD 的灵敏度是按照光度学来表示的，所以必须将光场的辐射度量转换成光度量来表示。

光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量,以人的视觉习惯为基础建立。

辐射度学适用于整个电磁波谱的能量计算,主要用于X 光、紫外光、红外光以及其它非可见的电磁辐射。

光度学是辐射度学的一部分或特例。

这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只是单位不同。

为了区别这两种量，规定用下标e 和v 表示。

附录A 给出常用辐射量和光度量的定义[19]。

对人眼来说采用光谱光视效能K(λ)来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能K(λ)为同一波长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即λνλλe K ΦΦ=/)( （3-24） 由于人眼在频率为540×1012Hz(λm=555nm ，该波长称为峰值波长)的辐射下，K(λ)最大，记为K m ，K m = 683lm·W -1，定义光谱光视效率V(λ)（又称视见函数）为 m K K V /)()(λλ= （3-25）所以，CCD 接收到的光通量为λνλλe m V K Φ=Φ)( （3-26） 其中入射到CCD 上光的辐通量（功率）λe Φ单位为w ，光通量单位为lm 。

设光斑面积为S ，则光照度可以写成：17S V K S E e m /)(/λνλνλλΦ=Φ= （3-27） 其单位为lux 。

设CCD 响应的光照度范围为min v E —max v E ，小于最低照度则不能成像，大于最高照度则发生饱和。

所以有： )()(max min λλλV K S E V K S E m v e m v <Φ< （3-28） 由于 ρλi e P =Φ (3-29) 结合（3-23）（3-29）就可得到激光器功率输出范围。

对于655nm 激光，V(λ)＝0.0816，一般CCD 的照度范围在2000－510lux （在增益为0db ，最大光圈下），设光斑面积为1mm 2，ρmax =0.254（GaN 薄膜在蓝宝石衬底上），计算得P i <7.1mw （照射在CCD 上得光功率小于1.8mw ）。

四、应力检测灵敏度及误差由第2章薄膜应力为)/1(62r h h M fs s ∆⋅=σ，其中曲率变化：L d d r 2)cos()/1(αδ=∆， d 为入射激光束阵列间的间距，α为入射角；L 为样品与CCD 间的距离，d δ为光束的偏转位移。

可以看出，应力的灵敏度和能检测到的薄膜表面最小曲率变化量有关，即与可测量的光束的最小偏转位移相关。

设光束间距d 平均值为379.88象素，δd 最小值为0.155象素（多次测量结果），L=0.5m ，α＝50，蓝宝石衬底M S ＝602 Gpa ，hs=200um ，h f =300nm ，可计算得：最小可探测的曲率变化为 4.1×10－4m 2，最小薄膜应力为:σmin =5Mpa 即薄膜应力检测灵敏度为5Mpa 。

根据它们的测量方法,设Δh s =2μm,Δh f =2nm, ΔL=5mm, Δ(δd)=0.005象素（图像处理软硬件对光斑中心细化最小尺度），则由误差传递公式得： %4.4)(2≈∆+∆+∆+∆+∆⋅=L L d d d d h h h h E f f s s δδσ （3-30） 该灵敏度和测量精度水平完全能够满足半导体器件工艺中薄膜应力测量的要求。

至此，我们完成了检测系统一些主要指标的讨论，通过以上的讨论，我们发现该系统设计的难点内容是设计功率高度稳定LD 激光器。

接下来的章节中，我们将对系统各个部分的设计进行深入讨论。

五、光学分束组件光学分束器是光计算机、图像处理、光纤通信及光学信息处理系统中用来产生一维或二维等强度激光束阵列的一种重要光学组件。

以光的衍射原理为基础发展起来的二元光学技术为制作新的光分束器提供了极大的便利。

Dammann 在70年代初提出了一种周期性可变间距的二元位相型光栅, 也称空间坐标调制型二值相位光栅，有以下主要特性[20]：是相位型光栅，可得到较高的衍射效率；其相位是二值的，便于利用常规的大规模集成电路技术进行加工；属于夫琅和费型器件，其光束分布的均匀性不受入射光强分布的影响。

Dammann 光栅通过衍射把一束光分为等强度的多束光,用于集成电路的光刻掩膜版的制造。

要使这些光束成为会聚光束还必须与常规的透镜结合。

随着光计算技术的发展，国外研制出了具有自聚焦性质的集成化二元光学分束器,用该组件可直接实现二维会聚光束阵列。

其基本原理[21]如下。

Dammann 光栅是一种二维的二元位相型光栅,它的透射率函数f(x,y)可表示为两个对称的一元周期函数的乘积，)()(),(21y t x t y x f = （3-31）)(1x t 或)(2y t 的位相只取0和π两值,一周期内有2N 个相位跃变点,其坐标为±x 1,±x 2,…,±x N 。

为了得到2N+1极等光强的光束分布必须对光栅的每一个周期进行空间坐标（刻槽数目和槽宽）的调制，利用这种微细结构的周期重复即可得到一种特殊结构的相位光栅，经过优化设计使输出面上所要求的角谱范围内的光强均等。

合理地确定各突变点的坐标以产生等光强的谱点阵列是这类光栅设计的核心。

x 1,x 2,…,x N 满足方程组: 202u u n =，),,2,1(N n = （3-32）式中,u n 为第n 级衍射光的振幅。

因此,这种光栅产生的0,±1,±2,…,±N 级衍射光的振幅相等。

图3.3是N=4、周期L=1时t 1(x)在一个周期内的函数曲线。

用一束相干光照射一维Dammann 光栅可得到(2N+1)束沿不同方向传播的等强度衍射光,对于二维Dammann 光栅则可有(2N+1)×(2N+1)束等强度衍射光，如图3.4所示。

图3.3：一维Dammann 光栅(N=4)的透射率函数曲线图3.4：分束后任一行光点的光强分布曲线19Fresnel 波带板是另一种常见的衍射光学组件,在这里我们将两者组合成一个组件,它同时具有分束和聚焦功能。

分束器的透射率函数t(x,y)是Dammann 光栅的透射率函数f(x,y)与Fresnel 波带板的透射率函数t L (x,y)的乘积。

由于构成自聚焦分束的两分立组件都是二元位相型的,若设Fresnel 波带板和Dammann 光栅的位相函数分别为ΦL (x,y)和Φd (x,y),因为分束器的透射率函数t(x,y)为:[]),(),(exp ),(),(),(y x y x y x t y x f y x t d L L Φ+Φ== （3-33）则集成分束器位相函数Φ(x,y)为:Φ(x,y)=ΦL (x,y)+Φd (x,y) （3-34）因为ΦL 和Φd 分别只取0和π,Φ(x,y)只有0、π、2π等3种值,而2π与0是同相位的,因此集成分束器的位相Φ也只取0、π,即Φ可由下式得到[20]:Φ=[(ΦL /π)XOR(Φd /π)]π （3-35）式中,XOR 代表异或运算。

这一位相特点,为制作这种位相型组件带来了方便。

实际设计传感器时,为了提高信噪比,Fresnel 波带板采用了离轴照明方式。

用发散激光光束照明时,改变光束的发散点到分束器的距离可改变点阵阵列的大小(即光点之间的距离)。

六、功率稳定可调半导体激光器引言半导体激光器（LD ）由于其具有体积小、价格低、低功率、易于集成、便于工作、波长可调、可快速调制等一系列特点，越来越受到人们的重视，是应用最广泛的一类激光器。