Die bewegte Geschichte der Hochpräzisionsinterferometrie

Peter de Groot Zygo Corporation, Middlefield, CT USA

Seit den ersten Entwicklungen vor 150 Jahren haben Fortschritte bei Lichtquellen, Optik und Datenverarbeitung die Interferometrie zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Messung von Entfernungen und Oberflächenformen gemacht. Man kann durchaus argumentieren, dass die immer höheren Anforderungen an die Präzision die Fortschritte in der Interferometrie vorangetrieben haben. Hier beschreibe ich jedoch den aktuellen Stand der Technik mit einer anderen treibenden Kraft im Hinterkopf: der Anwesenheit von Luft in den Strahlengängen.

Die Geschichte beginnt mit der Erfindung linearer Interferometer, die ursprünglich im 19. Jahrhundert als empfindliches Messgerät für den Brechungsindex von Gasen entwickelt wurden, als die Wissenschaft nach Antworten auf das Rätsel der Lichtausbreitung suchte. Später wurde die Interferometrie zu einem Werkzeug zur Messung von Entfernungen und Verschiebungen, wobei wir jedoch immer im Hinterkopf behalten müssen, dass wir tatsächlich einen optischen Pfad messen, keinen physikalischen. Dies bringt Herausforderungen mit sich, darunter das Problem der Turbulenzen in einer unruhigen Atmosphäre.

Kreative Lösungen für Luftturbulenzen sind beispielsweise die Dispersionsinterferometrie, bei der die Variation des Brechungsindex mit der Wellenlänge als Indikator für die Luftdichte verwendet wird. Ich kann einige interessante Geschichten über Versuche erzählen, dies für die fortgeschrittene Photolithografie zu nutzen.

Ein anderer Ansatz zur Verschiebungsmessung beruht auf optischen Encodern, die viel kürzere Strahlenwege durch die Luft haben als Freiraumsysteme, wodurch die Auswirkungen von Turbulenzen und Brechungsindex erheblich reduziert werden. Optische Encoder haben sich allein im letzten Jahrzehnt deutlich verbessert und erreichen Unsicherheiten im Sub-Nanometer-Bereich für mit 8 m/s bewegte Tische.

Luftturbulenzen haben auch einen großen Einfluss auf Instrumente, die die Oberflächentopographie messen, wie etwa Laser-Fizeau-Interferometer. Die moderne Lösung hierfür ist die Verwendung von „sofortiger“ Interferometrie – Messungen, die nur wenige Tausendstel einer Sekunde über eine Million Datenpunkte dauern. Solche Systeme mitteln Luftturbulenzen und erreichen damit eine hohe Genauigkeit.

Zusammengenommen zeigen diese Beispiele, wie die uns umgebende Luft, die für unser Leben so wichtig ist, auch eine Quelle für Innovationen in der Interferometrie ist.