Adaptive optics for Michelson interferometry

Abstract

Die Verwendung von Interferometern zur exakten Distanzbestimmung ist vor allem in der Hoch-Präzisions-Industrie, wie etwa der Halbleiterfertigung, nicht mehr wegzudenken. Das berührungslose und nanometer-genaue Messprinzip auf Basis des Michelson Interferometers wird beispielsweise zur Positionierung von Waferstages bei deren Belichtung verwendet. Durch die steigenden Anforderungen bei immer höheren Taktraten auch entsprechend hohe Beschleunigungen zu erreichen, besteht die Gefahr von Luftverwirbelungen entlang des offenen Interferometer-Messpfades. Diese Luftverwirbelungen können dazu führen, dass durch unterschiedlich dichte Luft die ebene Wellenfront des verwendeten Lasers gestört wird. Da alle Aberrationen der Wellenfront im Messpfad bei der Interferenz mit dem Referenzpfad zu einem unerwünschten Inteferenzmuster führen und dadurch die Signalstärke am Ausgang des Interferometers geschwächt wird, wird die exakte Positionierung erheblich erschwert. Um diese Fehlerquelle einerseits zu bestimmen und andererseits auch zu kompensieren, wird in dieser Arbeit ein adaptives optisches System untersucht welches in ein Michelson Interferometer integriert wird. Die Aberration wird dabei mit einem Shack-Hartmann Wellenfront-Sensor gemessen und mittels eines deformierbaren Spiegels in einem Regelkreis kompensiert. In dem vorgeschlagenen Aufbau werden jeweils für das Interferometer als auch für das adaptive optische System handelsübliche Komponenten verwendet was die Praxistauglichkeit und somit die einfache Integrierbarkeit in bestehende Systeme zeigen soll. Das realisierte System ist in der Lage Störungen niedriger Ordnung zu kompensieren und eine durchschnittliche Verbesserung des Ausgangssignal um den Faktor 5,7 konnte erreicht werden.

Precise distance measurement is crucial for the high-precision industry as the semiconductor manufacturing is one. Measurement devices based on the concept of a Michelson interferometer are widely used to implement a very accurate and non-contact distance measurement with nanometer resolution. Interferometers are often applied in environments where the optical path is uncovered and influenceable by air turbulences such as caused by fast moving targets. Air turbulences cause aberrations in the wavefront, deteriorate the interference pattern and lead to a smaller peak-to-valley intensity signal which cause problems in the determination of the traveling distance. To determine as well as to compensate for aberrated wavefronts this thesis investigates the integration of an adaptive optics system into a Michelson interferometer. The aberrated wavefront is measured with a Shack-Hartmann wavefront sensor and compensated by a deformable mirror. A feedback controller is implemented that computes the signals for the deformable mirror. The proposed setup comprises off-the-shelf products for the interferometer and the adaptive optics setup. The implemented system is capable of compensating low order aberrations, resulting in an average improvement of 5,7 of the peak-to-valley signal.