45°光纖微反射鏡聚焦離子束加工及多軸位移檢測研究

李 俊，李嘉偉，張鼎博，劉 旭，李 闊，馬 天，王偉峰，翟小偉

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；3.蚌埠學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

引言

研究表明，聚焦離子束（focused ion beam，F(xiàn)IB）技術(shù)[1-4]可以在多種不同材料上加工微型或納米結(jié)構(gòu)。由于FIB加工過程中使用的粒子束光斑尺寸小，可以制備出比束流直徑小得多的納米間隙[5]，同時具有高質(zhì)量表面光潔度[6]，因此在高分辨率加工領(lǐng)域備受關(guān)注。這項技術(shù)已經(jīng)被用于光纖的微結(jié)構(gòu)的制造[7-8]，也已實現(xiàn)了許多以光纖微結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的應(yīng)用，例如波導(dǎo)特性的修改[9]、長周期光柵的制造[10-13]、干涉?zhèn)鞲械墓饫w末端微型切口腔的微加工[14]、原子力顯微鏡的光纖端部微懸臂梁的制造等[15]。這些結(jié)構(gòu)中的大部分被認(rèn)為是2.5維度的，即由光纖加工的二維平面結(jié)構(gòu)部分和第3個維度是有限的部分（不是深度）構(gòu)成，加工的結(jié)構(gòu)不隨深度的變化而變化。對于光纖端面上的微結(jié)構(gòu)而言，在微米尺度下，隨著加工深度的變化，微結(jié)構(gòu)的幾何尺寸發(fā)生了變化。而控制FIB在3個維度的加工步進(jìn)量，實現(xiàn)高準(zhǔn)確度的全三維光纖結(jié)構(gòu)修飾，仍然是FIB微納加工技術(shù)目前研究的一個方向。

本文采用FIB微加工技術(shù)，直接在標(biāo)準(zhǔn)四芯單模光纖的端面設(shè)計和加工45°微反射鏡結(jié)構(gòu)，鏡的位置位于目標(biāo)光纖的纖芯中，將纖芯中的光波通過加工的45°微反射鏡結(jié)構(gòu)射向光纖側(cè)面?zhèn)鬏數(shù)酱郎y發(fā)射面，由光纖包層和待測反射體表面構(gòu)成法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)-P）光學(xué)干涉腔，實現(xiàn)兩個方向上的微位移的絕對測量。在四芯光纖上使用FIB加工的微反射鏡可以耦合進(jìn)入光纖中不同的纖芯，從而允許入射光波束設(shè)計方向具有一定的靈活性。和單模光纖相比，四芯光纖中的纖芯是一體制造而成，材料的一致性、重復(fù)性和溫度穩(wěn)定性較好，可以用于兩個維度位移的同時檢測。圖1具體展示了四芯光纖進(jìn)行位移測量的過程。基于該測量原理，本文實現(xiàn)了60 μm范圍內(nèi)的兩軸絕對位移測量，位移RMS（均方根）精度在X、Y兩個方向分別為105 nm和119 nm，相當(dāng)于1.75‰和1.97‰的位移相對測量誤差。在空間受限的環(huán)境中，可以提供單個傳感頭測量2D乃至3D位移的可能性。該技術(shù)有望用于精密零件內(nèi)表面、血管內(nèi)壁輪廓檢測等方面。

圖1 四芯光纖測量位移原理框圖Fig.1 Block diagram of four-core optical fiber displacement detection principle

1 多芯光纖45°微反射鏡加工過程

在FIB加工過程中，采用標(biāo)準(zhǔn)的熔融石英四芯單模光纖，如圖2所示，其外（包層）直徑為125 μm，纖芯直徑為9 μm。整個四芯光纖外表面鍍有20 nm厚度的銀，以減少靜電電荷積聚。光纖安裝在一個定制的金屬塊上，為了確定光纖位置，金屬塊包含一個對接的V型槽。

圖2 顯微鏡下四芯光纖照片（每根纖芯之間的距離為50 μm）Fig.2 Four-core optical fiber photo under microscope(distance between each core is 50 μm)

FIB加工使用包含液態(tài)鎵離子源和場發(fā)射掃描電子顯微鏡的雙束系統(tǒng)來實現(xiàn)（FEI Quanta 3D FEG）。待加工光纖被固定在有V型槽的光纖固定裝置上，置于可以360°旋轉(zhuǎn)的5軸調(diào)整架上，方便精密控制光纖加工時的角度和位置。離子束加工平臺可以在0.1°的分辨率下，從?15°到+75°的范圍內(nèi)傾斜于離子束所在平面。離子束加工平臺的分辨率限制了角度加工的精度。由于離子束在FIB中和工作臺呈52°角，無法直接加工得到光纖45°角，因此需要通過旋轉(zhuǎn)操作臺的角度來匹配離子束和光纖端面的方向，形成合適的加工角度。

具體的加工分兩個過程，即：粗加工形成一個略大于45°的46°光纖微反射鏡；對46°光纖微反射鏡面精細(xì)拋光至45°。如圖3（a）所示，在微反射鏡制備過程中，加工離子束和水平面成52°角，即四芯光纖軸向和離子束成38°角。為了得到46°的光纖微反射鏡，四芯光纖軸向和離子束夾角需要為46°，因此可以逆時針旋轉(zhuǎn)待加工光纖，使其與水平面的夾角調(diào)整到8°。整個加工中的角度關(guān)系如圖3（b）所示。

圖3 四芯光纖45°微反射鏡加工過程中的角度關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of angle relation in machining process of 45° micro mirror with four-core optical fiber

具體來說，在粗加工過程中，設(shè)定離子源在30 kV加速電壓和50 nA的工作電流下對光纖上25×25 μm2的區(qū)域進(jìn)行刻蝕。將25×25 μm2的加工區(qū)域分成302×302像素的指定位圖，不同的位圖區(qū)域顯示了曝光的不同強(qiáng)度，顏色越深代表離子束停留的時間越長，如圖4（a）所示。在離子束掃描過程中，像素間距被設(shè)置為光束直徑一半的大小，可以通過25×25 μm2的區(qū)域大小和302×302像素的指定位圖來控制。經(jīng)過最大停留時間為255 μs的114次掃描之后，就可以在相對較短的時間內(nèi)初步加工獲得與纖芯成46°角的光纖微反射鏡，如圖4（b）所示。

圖445 °光纖微反射鏡的粗加工過程Fig.4 Rough machining process of 45° optical fiber micro mirror

第2個過程是對第1個過程粗加工形成的46°光纖微反射角進(jìn)行拋光[16]。圖5展示了拋光的具體過程。在確定入射角的時候，為了補(bǔ)償光束的加工輪廓，鏡面和FIB離子束方向之間會存在一定的偏移量。因此，一般來說離子束的方向會和光纖軸向略大于45°，這樣拋光后才有望得到準(zhǔn)確的45°角。

圖5 離子束拋光過程（拋光角度和光纖軸向的夾角略大于45°）Fig.5 Polishing process of ion beam (angle between polishing direction and optical fiber axial direction is slightly larger than 45°)

由非正常入射離子轟擊引起的周期性起伏會影響鏡面加工的質(zhì)量，根據(jù)Bradley和Harper的理論[17]，當(dāng)離子束的入射角與表面法線接近90°的時候，波長就趨于無窮大，因此離子束拋光過程有助于消除這種鏡面的起伏。拋光過程采用的是較小的7 nA離子束電流，沿著反射鏡表面往復(fù)打磨實現(xiàn)拋光。通過FIB誘導(dǎo)沉積將金屬鉑層涂覆在鏡面，以此來提高鏡面反射率。這種方式加工一個鏡面的時間大致要花費(fèi)半個小時。在光纖45°微反射角的加工過程中，第1步粗加工和第2步精密拋光的相互配合對準(zhǔn)確加工獲取45°微反射角至關(guān)重要。微小的角度偏差，可能造成入射光束通過光纖45°角后偏離光纖端面方向，無法形成穩(wěn)定的F-P干涉腔，從而導(dǎo)致解調(diào)的失敗。最終加工鏡面的掃描電子顯微鏡圖像如圖6所示。FIB加工的角度在掃描電鏡（scanning electron microscopy，SEM）下測試顯示為45°，如圖7（a）所示。

圖6 在SEM觀察下由FIB加工得到的多纖芯光纖45°角Fig.6 Machined 45° angle with multi-core fiber by FIB under observation of SEM

上文通過SEM測量準(zhǔn)確獲得了45°光纖微反射鏡。為了評估FIB加工得到的45°光纖微反射鏡面光滑程度，我們采用白光干涉儀（Zygo New View 5000）來完成對FIB加工45°光纖微反射鏡表面粗糙度的測量。加工完成的光纖微反射45°鏡結(jié)構(gòu)以45°傾斜角被安裝在機(jī)械拋光后的不銹鋼夾具上，夾具長8 cm，根據(jù)機(jī)械加工的精度推算得到，由夾具引起的角度加工誤差可控制在±0.03°之內(nèi)。白光干涉儀（Zygo）發(fā)出的光束從豎直方向照射到FIB加工的45°光纖微反射鏡表面，如圖7（b）所示。形成的干涉圖樣經(jīng)處理后，可還原FIB加工后的45°光纖微反射鏡表面粗糙度情況。受Zygo照射角度的限制，我們僅選取未被入射光遮擋的45°光纖微反射鏡中的一部分作為測量對象，分析其表面粗糙度的狀況。由于整體FIB加工工藝的方式相同，因此通過測量選取部分的表面形貌起伏可以獲知FIB加工后的45°光纖微反射鏡表面粗糙度的情況。

圖7 FIB加工得到的光纖45°微反射鏡以及用Zygo白光干涉儀搭建45°角測試系統(tǒng)。Fig.7 Machined 45°optical fiber micro mirror by FIB and 45° angle test system built by Zygo white light interferometer

圖8展示了Zygo測量下，光纖45°微反射鏡面x、y兩個方向的高度起伏。x為沿45°角方向，y為垂直于45°角方向。在x方向上5 μm的范圍內(nèi)，測量獲得的高度差大約150 nm，經(jīng)過計算可以得到待測角度的偏差大約在0.17°左右。在垂直45°角的y方向上，Zygo測量的絕對高程大約在5 nm內(nèi)，基本沒有高度的起伏。圖6采用掃描電鏡（SEM）系統(tǒng)測得的角度為45°，采用上述兩種測量方法得到的角度值基本吻合，測量偏差為0.07°。由于加工過程中精密光學(xué)控制臺等機(jī)械運(yùn)動部件會有微小的誤差，同時FIB加工過程中離子束能量在空間分布上呈高斯?fàn)罘植?，有一定的拖尾現(xiàn)象，因此在和石英材料相互作用過程中會造成加工的微反射鏡具有一定的角度偏差。

圖8 白光干涉儀Zygo測量的光纖45°微反射鏡面x、y方向的高低起伏情況（x為沿45°角方向，y為垂直于45°角方向）Fig.8 Fluctuation condition of optical fiber 45° micro mirror surface in x and y directions measured by white light interferometer Zygo

另一方面，從圖8（a）可以看出，無論是x方向還是y方向，在光纖45°反射鏡面的區(qū)域都有較小的紋波起伏，該紋波對應(yīng)FIB加工的表面起伏。圖9通過原子力顯微鏡（atomic force microscopy，AFM）測量可以看出，F(xiàn)IB加工后的表面粗糙度起伏大致在幾個納米，測試得到該區(qū)域的RMS誤差在3.6 nm，基本可以達(dá)到光學(xué)表面粗糙度，滿足FP干涉光學(xué)檢測的要求。Zygo的測量結(jié)果表明了加工鏡面的表面粗糙度能夠適用于產(chǎn)生波束90°轉(zhuǎn)向的F-P光學(xué)干涉腔微位移測量。

圖9 AFM測量的光纖45°微反射鏡表面粗糙度分布情況Fig.9 Roughness distribution of optical fiber 45° micro mirror surface measured by AFM

2 實驗結(jié)果及討論

為了展示四芯光纖可以作為光纖端面位移傳感器，用光纖V型槽將四芯光纖固定在一個三軸壓電驅(qū)動的光學(xué)調(diào)整架上。光纖方向和調(diào)整架x軸方向一致。相互垂直的鋁塊（反射率約30%）構(gòu)成反射面，穩(wěn)定地固定于三維精密調(diào)制架上，并置于四芯光纖旁邊，用于光纖和固定參考面之間的位移測量（如圖10所示）。整個系統(tǒng)放置于氣動光學(xué)平臺上，以減小環(huán)境微小振動對實驗結(jié)果的影響。四芯光纖連接在一個多芯光纖扇出裝置上[18]，它允許4根纖芯導(dǎo)出的信號被單獨(dú)解調(diào)，通過扇出系統(tǒng)被連接在一個四通道光纖光柵傳感解調(diào)儀上。光纖45°微反射鏡面和反射面構(gòu)成一個F-P光學(xué)干涉腔，纖芯到反射面的距離可以通過腔長解調(diào)算法計算得到[19-20]。圖10中放大的部分展示了四芯光纖中有45°微反射鏡的兩芯構(gòu)成的兩個相互垂直方向上的位移檢測實驗系統(tǒng)?？刂普{(diào)整架，使得四芯光纖先后在X方向和Y方向上連續(xù)步進(jìn)，從而達(dá)到檢測微位移的目的。測試實驗重復(fù)以上步驟，以便評價四芯光纖微位移傳感器多次測量的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

四芯光纖與光電探測器之間所接的扇出裝置,是系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將所接入四芯光纖的每根纖芯以單模光纖的形式輸出，單模光纖被放在一個V型槽陣列中?？刹捎贸旒す馄髟诮殡姴牧仙峡虒懜哔|(zhì)量的光波導(dǎo)作為扇出裝置，在介電材料上聚焦采用子帶隙輻射的飛秒或皮秒脈沖，使得光能被沉積在焦點(diǎn)區(qū)域，沉積的光能對材料的性質(zhì)產(chǎn)生影響，會使得折射率發(fā)生變化。故可以通過移動材料在聚焦區(qū)域上的三維方向使得折射率發(fā)生改變，進(jìn)一步刻寫光波導(dǎo)。四芯光纖的扇出裝置由4個光波導(dǎo)組成，每個光波導(dǎo)由3個線性部分首尾連接而成，扇出裝置整體的首尾分別是四芯光纖的耦合端和V型槽陣列的耦合端，平面結(jié)構(gòu)如圖11所示。使用扇出裝置來耦合光的步驟如下：首先，將4個單模光纖組成的V型槽陣列耦合在扇出裝置的V型槽端口，通過使用折射率匹配凝膠和一個手動三維平移臺進(jìn)行調(diào)整來完成；然后，采用同樣的方法將四芯光纖直接耦合在扇出裝置的四芯光纖端口。

入射光通過光纖環(huán)形器耦合到四芯光纖端部的45°微反射鏡。干涉主要是由光纖與空氣構(gòu)成的分界面R1及空氣和鋁塊構(gòu)成的反射面R2形成的，具體如圖12所示。當(dāng)反射光向光纖內(nèi)傳輸時，這些信號通過相同的光纖耦合器，最終光纖解調(diào)儀獲取波長與強(qiáng)度的信息。干涉信號可以表示如（1）式：

圖 10 MCF對于二維位移測量的裝置平面圖Fig.10 Device planar graph of MCF for 2D displacement measurement

圖 11 多芯光纖扇出裝置的平面示意圖Fig.11 Schematic diagram of MCF fan-out device

圖 12 四芯光纖端面和反射面間的干涉光波傳輸示意圖Fig.12 Schematic diagram of interference light wave transmission between four-core fiber end face and reflecting surface

式中：I0是 干涉信號直流分量；V是干涉條紋對比度；n與光纖性質(zhì)相關(guān)；L即為干涉光程差，對應(yīng)光纖外側(cè)包層到反射塊的距離。

反射塊到光纖的距離是通過以下計算過程來確定的，首先將干涉信號按（1）式的格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，根據(jù)頻率與波長的關(guān)系，將1 /λ=v/c帶入（1）式，有：

然后，對于實際得到的光譜信號進(jìn)行采樣處理，可以將頻率v看成獨(dú)立變量，將橫坐標(biāo) λ轉(zhuǎn)換為c/λ，利用MATLAB中的插值算法，對得到的光譜信號重新取樣到頻域進(jìn)行快速傅里葉變換（fast fourier transform，F(xiàn)FT），從而得到干涉信號的頻域圖像，腔長由頻域圖的峰值位置來確定。第1個峰值對應(yīng)于直流分量，第2個峰值則對應(yīng)于干涉信號頻率f，腔長可由（3）式得到：

綜上，可以通過此算法過程，由光譜信號反演得到腔長值。實驗測得在x軸和y軸方向上經(jīng)過歸一化之后的干涉條紋如圖13所示。通過FFT解調(diào)計算得出的腔長分別為56.3 μm和29.8 μm。

45°光纖微反射鏡構(gòu)成的解調(diào)系統(tǒng)可以在反射面與四芯光纖之間進(jìn)行連續(xù)位移測量。這個過程是通過調(diào)整架在壓電陶瓷驅(qū)動器（PZT）作用下，實現(xiàn)X、Y兩軸方向上的線性移動，步進(jìn)量為5 μm。在位移測量實驗中，四芯光纖微位移傳感器在X軸和Y軸測得位移量分別為60.1 μm和60.3 μm。由圖14 MCF在X和Y方向上位移的均方根殘差圖可以看出，X和Y方向上的RMS位移殘差分別為105 nm和119 nm。通過實驗測量，MCF傳感器在X和Y兩軸上分別可以實現(xiàn)約為1.75‰和1.97‰（105 nm/60.1 μm，119 nm/60.3 μm）的相對位移測量誤差。這表明四芯光纖探測系統(tǒng)可以測量兩個垂直方向的位移變化，在空間受限（mm2）環(huán)境中，提供了單個傳感器進(jìn)行兩個維度測量的可能。

圖 13 MCF與反射面之間得到的干涉圖Fig.13 Interferogram obtained between MCF and reflecting surface

圖 14 PZT移動時MCF光纖微位移傳感器在X，Y軸方向的殘差分布情況Fig.14 Residual error distribution in X and Y directions of MCF micro-displacement sensor when PZT is moving

3 結(jié)論

本文在四芯光纖的末端使用聚焦離子束加工技術(shù)成功地制造出45°的光纖微反射鏡。該結(jié)構(gòu)提供了在狹小測量空間內(nèi)用單個探測器進(jìn)行二維、三維測量的可能性。在保證光學(xué)表面粗糙度的同時，實現(xiàn)了多纖芯光纖內(nèi)25 μm×25 μm范圍區(qū)域45°鏡面的準(zhǔn)確反射。用白光干涉儀測得的加工鏡面的誤差小于0.07°。采用快速傅里葉變換和腔長補(bǔ)償算法來確定法珀腔的自由光譜范圍。

初步實驗結(jié)果表明，加工的結(jié)構(gòu)可以作為一種二維位移傳感器來測量反射面和光纖之間的位移，傳感距離為60 μm，腔長均方根誤差約為105 nm和119 nm，等同于1.75‰和1.97‰的位移相對測量誤差，可以實現(xiàn)短距離位移的精密檢測需要。該技術(shù)有望用于精密零件內(nèi)表面測量，以及醫(yī)療儀器行業(yè)對血管內(nèi)壁的表面形貌監(jiān)測。

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金對本項目的資助（51974236），感謝陜西省千人計劃在購置實驗設(shè)備上給予的資助，感謝英國赫瑞瓦特大學(xué)物理系提供多纖芯扇出裝置。