双波长数字全息干涉术

来源:中科院半导体所发布时间:2022-01-1122浏览

文章来源：先进制造（LAM_JHL）

作者：颜悦（香港中文大学，博士生）

全息术[1]自1948年由Gabor发明以来，就凭借其记录和再现原物光波的振幅和相位的突出特点，不断发展。进入20世纪八九十年代，随着计算机技术的快速发展和数字器件制备工艺的不断进步，数字全息及数字全息干涉术[2]也取得了突飞猛进的发展，并且已经成为信息光学领域的一个重要分支学科。不仅在记录介质和记录方式上取得了实质性的进展，而且应用领域从三维再现、信息存储，发展到了位移和形变测量、形貌测量，方法也多种多样。

数字全息干涉术可实现快速高精度表面形貌检测，且其检测对象适用范围广。但是传统单波长数字全息干涉术的主要缺点是测量范围小。因为相位信息只能从0~2π，对应一个波长范围，当超过2π之后，干涉信号相位和0~2π混叠，无法分辨。

鉴于此，来自德国乌尔姆大学医学和测量技术激光技术研究所的团队展示了利用两个垂直腔面射型激光器 (VCSEL) 搭建的双波长全息数字干涉仪，其实现了10mm * 10mm 视场，毫秒级别单次检测曝光，微米级不确定度的物体表面形貌检测，并且其被检测对象适用于镜面反射表面，粗糙表面，及不同颜色的各类物体。

该工作以“Snap-shot topography measurement via dual-VCSEL and dual wavelength digital holographic interferometry”发表于最新一期的Light: Advanced Manufacturing。

一. 双波长数字全息干涉术基本原理传统单波长数字全息干涉术利用两束同频光的干涉（一束经过物体，一束参考），然后解析其相位并反演物体尺寸信息。因为其准确测量范围局限在0~2π。其物体尺寸测量范围也局限在光源波长级别。双波长数字全息干涉术利用两个有微小波长差异的激光进行干涉产生拍频，其干涉信号中含有等效合成波长的相位信息，等效合成波长可表示为：

因为两个波长差异很小，其等效合成波长数值很大，因此其对应的0~2π相位信息的物体尺寸检测范围可极大提高。文中测量原理如图1所示：

图1：双波长数字全息干涉术对物体形貌检测的原理图
首先，由两个VCSEL发出的两束不同波长λ1，λ2的激光耦合至单模光纤中，再分三路，其中一路波长同时含有λ1和λ2 照射到被测物体，另外两路分别只有λ1，λ2作为参考光路，这三束光的干涉信号被相机收集。
最后对全息干涉图案进行处理，依次做傅里叶变换，滤波，反傅里叶变换处理，最后再扣除背景噪声即可得到可反映物体表面尺寸的光波前相位信息，处理过程如图2所示。

图2：双波长数字全息干涉术的相位信息反演过程
二. 双波长数字全息干涉术的难点及解决方案双波长数字全息干涉术通过引入等效合成波长，大大提高了检测范围。但同时其对波长稳定性的要求也更高。假设光波长约850nm，检测范围2mm，要达到1% 的相对检测不确定度，激光波长飘移不能超过2pm。为了解决这个问题并使得系统保持长时间稳定工作，该团队使用了两个发射波长差异为2nm 的VCSEL 激光器，其工作波段约850nm。两个VCSEL 激光器芯片集成安装在同一片热沉上，并使用TEC 精确控温，其控温精度达10mk，驱动激光电流控制精度达8uA。激光发射表面和两跟单模光纤通过紫外曝光胶合固定，其波长稳定飘移小于1pm（超过12h工作）。

图3：双VCSEL 激光器封装结构
研究者利用所搭建的系统展示了对镜面反射表面物体，粗糙散射表面，以及不同颜色的物体的表面形貌尺寸测量结果，如图4所示。合成波长调整为8.92mm，对于镜面型物体，单帧图像曝光只需5ms，测量不确定度为9.8um。对于粗糙散射表面，单帧曝光为35ms，因为粗糙表面带来的散斑噪声，其测量不确定略有增大。文章还展示了对红黑两种不同颜色，且组成成分同时含有镜片发射，粗糙散射表面成分物体表面的形貌精确测量，进一步证明了双波长数字全息测量的优势。

图4：双波长数字全息干涉术对不同物体形貌测量结果

未来，通过调控双波长差异，可动态调控测量范围，并且引入多波长数字全息干涉可进一步提高工作精度，准确表征表面粗糙度。其测量范围广，适用对象不受限，轻巧高稳定性的特性使该技术有潜力大范围应用于各类工业检测过程。

论文信息

Claus et al. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:29 https://doi.org/10.37188/lam.2021.029
参考资料：1. 《全息术：正确概念与错误表述》，先进制造微信公众号，2022-01-08

2. 全息干涉术，百度百科

编辑：Lemon

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