Han Haitjema* en Suzanne Cosijns**

De sectie Precision Engineering (PE) van de faculteit werktuigbouwkunde van de TU Eindhoven heeft een lange en rijke traditie waar het gaat om dimensionele metrologie in al haar effecten. Een van haar specialisaties door de jaren heen is precisie_verplaatsings-interferometrie en studie van de laserinter-ferometers die zeer nauwkeurig en herleidbaar verplaatsingen kunnen meten. Al in de jaren tachtig deed prof. Schellekens onderzoek naar gestabiliseerde lasers waarbij hij ook bijdroeg aan de ontwikkeling van de jodium_gestabiliseerde laser die nog steeds wordt gebruikt als nationale primaire lengtestandaard.
De resolutie van precisiesensoren, laserinterferometers en diverse typen opnemers ligt nu in het nanometer en zelfs subnanometerniveau. In een promotieproject in het kader van het IOP Precisietechnologie zijn kalibratiemethoden en modellen ontwikkeld die de werkelijke nauwkeurigheid van laserinterferometers kunnen meten en voorspellen. Dit project is nauw gerelateerd aan het eerdere onderzoek naar de jodium_gestabiliseerde laser omdat hier deze laser de referentie vormt waartegen de frequentie van een anderszins gestabiliseerde laser wordt gemeten. Ook konden eerder ontwikkelde stabilisatietechnieken hier opnieuw worden toegepast.

De kalibratie_opstelling is in figuur 1 weergegeven. De werking is als volgt. In de passieve cavity wordt door een piezo een verplaatsing opgelegd aan het te kalibreren instrument, hier weergegeven als een meetklokje. Deze verplaatsing dL verandert tegelijk de lengte van de passieve cavity. De slave_laser zendt een bundel laserlicht in de cavity die met de fotodiode wordt gedetecteerd.

Omdat de spiegels in de cavity een hoge reflectiecoëfficiënt hebben, ontvangt de fotodiode alleen licht als de lengte van de cavity precies overeenkomt met een geheel aantal halve golflengten. van het laserlicht. Dit wordt bewerkstelligd door aan de hand van het fotodiodesignaal de golflengte, en daarmee de frequentie, van de slave laser te verstemmen zodat het fotodiodesignaal maximaal is. De absolute frequentie van de slave laser wordt nu bepaald door het frequentieverschil met de jodium_gestabiliseerde laser te meten. De resolutie is zodanig dat een verplaatsing van 0,3 μm van de piëzo in de cavity, een frequentieverandering van 1 GHz van de slave_laser bewerkstelligt. Met een resolutie van 100 kHz in de frequentiemeting wordt zo een resolutie van 0,03 nm in de verplaatsing bereikt. Met deze opstelling kunnen allerlei types verplaatsingssensoren worden gekalibreerd, zoals inductieve sensoren, capacitieve sensoren, lineaire opnemers en laserinterferometers. Deze laatste zijn met name interessant omdat deze in een groot bereik zeer nauwkeurig kunnen meten, terwijl de afwijkingen worden verwacht periodiek te zijn met een periode van 0,3 μm of een deel daarvan. Vanwege het grote industriële belang van laserinterferometers, deze vormen bijvoorbeeld de meetbasis voor waferscanners, is in het onderzoek speciale aandacht geschonken aan het modelleren van deze afwijkingen, die voortkomen uit afwijkingen in polarisatietoestanden van de gebruikte laser, in de gebruikte optiek en in de gebruikte detector. Daarnaast zijn aparte meettechnieken ontwikkeld om afwijkingen in de laser en de optiek ook in de praktijk te meten zodat het model getoetst kan worden met praktijkmetingen aan de kalibratieopstelling.

Figuur 2 geeft de opstelling weer zoals hij wordt gebruikt bij het evalueren van een laserinterferometersysteem.
Het is gebleken dat bij gebruikmaking van het ontwikkelde model, de metingen aan laser en optiek, de meetresultaten van de kalibratieopstelling goed met het model overeenkomen. Dit is geïllustreerd in figuur 2, dat de afwijking van de door de laserinterferometer gemeten verplaatsing ten opzichte van de referentiemeting met de cavity voor een speciaal geval weergeeft. In de linker figuur is de optiek bewust onjuist uitgelijnd om een meetbare afwijking te verkrijgen. In de rechter figuur is de uitlijning geoptimaliseerd, waardoor er in dit geval een nauwelijks meetbare afwijking met een amplitude van 0,2 nm overblijft, welke overigens correct door de theorie lijkt te worden voorspeld.

Zoals in de figuur aangegeven is wordt het verschil tussen het model en de meetwaarden in het eerste geval gekarakteriseerd door een standaardafwijking van 0,3 nm, in het tweede geval bedraagt deze 0,14 nm. Deze restverschillen ontstaan door ruis in zowel het kalibratiesysteem als in de laserinterferometer. Een ander onderdeel van het onderzoek was te trachten deze periodieke afwijkingen met een alternatief detectiesysteem te corrigeren. Ook dit onderdeel van het onderzoek was succesvol zoals in figuur 3 is geïllustreerd; de resterende afwijkingen lagen in de orde van 0,1 nm. Helaas was dit systeem tamelijk traag met een bandbreedte van ca 1 Hz.

De begeleidingscommissie, en later ook de promotiecommissie, was unaniem zeer lovend over dit onderzoek. Ook het IOP was dermate enthousiast dat een vervolgonderzoek werd gehonoreerd. Helaas heeft daarna de faculteitsleiding besloten het onderzoek niet uit te voeren en in het verlengde daarvan de activiteiten op het gebied van de dimensionele metrologie te staken. Hiermee is een succesvolle onderzoekslijn, van groot belang voor de Nederlandse industrie en ook internationaal in hoog aanzien staand, beëindigd.

Noot
* huidige werkgever: Mitutoyo Research Center Europe te Veenendaal
**huidige werkever: ASML te Veldhoven.