納米測量光學試驗試驗目的和內(nèi)容建立納米測量的概念

6.納米測量光學實驗一、實驗目的和內(nèi)容1．建立納米測量的概念，了解其實現(xiàn)方法。2．了解微弱振動監(jiān)測的原理3．利用筆束激光干涉法進行納米量級的位移測量。二、實驗基本原理1．位移的納米測量方法納米科學是在納米（10-9m）和原子（約10-8m）的尺度上（Inm?100nm）研究物質(zhì)的特性、物質(zhì)相互作用以及如何利用這些特性的多學科交叉的前沿科學與技術。納米測量技術是納米科學的一個重要分支。用于納米測量的筆束激光干涉儀原理如圖1所示：激光器發(fā)出的激光，是甚細的準直激1-激光器2■反射領二哀減器乂分光棱領工參考鏡6■測量鏡?-壓電陶瓷8■傅立葉透鏡9-空間濾波器10物鏡11-CMDS閣像系絨圉1光束（稱為筆束光），記其波前為U。。被分光鏡4分為測量光束Im和參考光束-。這兩筆束~光分別經(jīng)各自的直角棱鏡反射后，被平行地反射回來并再一次到達分光鏡4，但此時Im與[已不再重合，而是存在一間距2d。經(jīng)過分光鏡4后，測量光束與參考光束平行入射至傅立葉變換（FT）透鏡8,并在FT透鏡8的后焦面上發(fā)生干涉，形成計量條紋。干涉條紋被物鏡10放大后成像于CMOS11上,通過圖像采集卡輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。在CMOS上干涉條紋的位移量XfXf=MfAN/（2d）式中N為條紋移動數(shù)，M為物鏡10的放大倍數(shù)，f為FT透鏡8的焦距，2d為測量光束與參考光束的空間間距，S為測量鏡的位移量。從上式中知道，記錄干涉條紋移動數(shù)，就可得到位移量，而測量的靈敏度完全取決于物鏡放大率，F(xiàn)T透鏡的焦距和2d。當f足夠大2d足夠?。ㄋ杂霉P束光的理由），就可以得到納米量級靈敏度。而該裝置卻很簡單2．微弱振動的納米測量與監(jiān)視四．振動測量是基于振動物體位移引起測量光波位相的調(diào)制，通過與參考光波發(fā)生干涉電接收裝置將干涉信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過適當?shù)碾娮訉W處理，求得振幅值。激光入射光強I0,經(jīng)分光鏡BS后，一支光束射向參考鏡M],光強為I],光程長1]；另

支光束射向貼在振動臺面上的測量反射鏡M2，光強為I2,測量鏡靜止時光程長12。兩支光束分別經(jīng)M],M2反射后，在BS處會合發(fā)生干涉，合成光強為I二I+1+2.1TTcos生.2(1-1)1 2中12 九 2 12代入上式，當振動臺按x(1)Lxo2代入上式，當振動臺按x(1)Lxosin°ot振動時(x0為振動臺振幅，°0為振動角頻率),測量鏡的瞬時光程長度可用下式表示：1'二1+xsin°t200得瞬時的干涉光強I為：I二I+I12+2J11cos竺[(/-1)+xsin°11V12九2 1 0 011(1人光電探測M —I振動1臺A二I+1,式中：12[0-1)+21xsin°t00光強為極大值的條件是：?二2觀兀，m為整數(shù)。相鄰兩個極大光強之間的相應位移是:干涉條紋的亮暗就變化一次。這個亮暗變干涉條紋的亮暗就變化一次。這個亮暗變化的光信號由光電探測器接收轉(zhuǎn)換成電信號輸出進行測量。振動振幅為：1x= ?N?九08N是光強變化的頻率與振動臺振動頻率之比。三、實驗用具與裝置圖實驗用具：激光實驗儀裝置光路圖1－激光器2－小口徑衰減器3－定向孔 5－定向孔6－反射鏡7－反射鏡8－擴束鏡9－濾波孔10－反射鏡11－擴束鏡23－光電接收器24-目鏡25－可調(diào)光闌 28－準直透鏡29－衍射試件平臺30－分光棱鏡31－共焦顯微鏡32－多功能試件夾及組合工作臺33－組合工作臺激光經(jīng)6，7，10轉(zhuǎn)向，30分光，32，33上試件折成兩束近距平行光，經(jīng)28會聚于焦平面上一點，移動24使該點放大成像于23上，將看到比普通干涉條紋更靈敏的納米干涉條紋，33上裝PZT驅(qū)動試片，控制PZT的驅(qū)動波形與干涉條紋、計數(shù)、均由計算機實現(xiàn)。

四、實驗操作步驟位移的納米測量方法實驗步驟：（一）光路調(diào)試A、 打開激光器；B、 調(diào)反射鏡6、7、10,使筆束光過定向孔3、5。C、 工作臺32的試件夾中裝入三角棱鏡，33的試件夾中裝入帶PZT的三角棱鏡,利用工作臺測微螺桿和調(diào)平調(diào)向螺釘調(diào)節(jié)三角棱鏡，使二反射光束成5?8mm的平行光，（本實驗具體測得d=3mm）經(jīng)透鏡28會聚于焦點，光闌25置于焦點處，在焦平面內(nèi)移動，濾波。D、 調(diào)鏡24成像，微調(diào)，使透鏡28焦點處的光點放大成像在CMOS23上，移動CMOS使條紋清晰,鎖定23.（二）啟動PZT工作開關，送直流電壓，使PZT軸向移動三角棱鏡?運行計算機程序,觀察條紋平移情況.=(20*180s)/3=1200s2、微弱振動的納米測量與監(jiān)視實驗步驟：（一）光路調(diào)試1．調(diào)反射鏡6，7，8，使筆束光過定向孔3、5。工作臺32的試件夾中裝入三角棱鏡，33的試件夾中裝入帶PZT的三角棱鏡，利用工作臺測微螺桿和調(diào)平調(diào)向螺釘調(diào)節(jié)三角棱鏡，使二反射光束成5?8mm的平行光，（本實驗具體測得d=3mm）經(jīng)透鏡28會聚于焦點，光闌25置于焦點處，在焦平面內(nèi)移動，濾波。目鏡24成像，微調(diào)，使透鏡28焦點處的光點放大成像在CMOS23上，移動CMOS,使條紋清晰，鎖定23。（二）啟動PZT工作開關，運行計算機程序，送正弦波，使工作臺33中PZT振動三

角棱鏡，觀察條紋及振動情況。記錄實驗數(shù)據(jù)，進行計量并定標。五、數(shù)據(jù)處理將實驗數(shù)據(jù)填入相應的表格?計算出位移量S的平均值六、 實驗結果分析與實驗報告要求實現(xiàn)納米測量的關件技術是什么?分析實驗結果好壞的原因.提出進一步改進的措施.七、 思考題與預習自測題什么叫納米科學?研究光學納米測量技術有何意義?什么叫筆束激光?為