袁礼文纳米测量光学

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1、纳米测量光学实验袁礼文光信02班C2组10329073合作者：曾标华2013-5-8一、仪器用具和实验装置图实验用具：激光器、平面反射镜、棱镜反射镜、CMOS光电接受器、可调光阑、半反射镜、物镜、压电陶瓷及控制电源。图1实验装置图二、实验原理1、位移的纳米测量方法目前，能够进行纳米测量的方法主要有：非光学方法和光学方法两人类。前者以扫描隧道显微镜（57妙、原子力扫描显微镜等为代表，虽能实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率，但这些方法在溯源到米定义的时候，人需要利用激光干涉仪等光学方法进行定标和校止，因此,光学纳米测虽方法在世界上倍受重视。光学

2、纳米测量方法主要有以下儿种：频率跟踪法（尸-户干涉仪）；光外差干涉仪；偏振干涉仪；调频干涉仪；光栅干涉仪；笔束激光干涉法等。纳米测量过程需要建立一个合适的纳米测量环境，以便提鬲测量精度，减少误差。需注意以下几点：（1）采用各种减震隔离装置，包括气浮式、电磁式和机械式隔振系统。一方面减小外界振动対测量系统的影响，另-•方血将测量系统的振动固有频率远离振动源的频率。（2）保持实验室的家温恒定，减少由于光程差随温度变化而带来的误差。（3）采取措施，减少空气扰动的影响。故测量时要注意遵循以下的原则：（1）共光路系统原则；（2）补偿原则；（3）减

3、小受影响的光路的原则；（4）减少朵散光原则；（5）交流调制放大原则。本实验使用笔束激光干涉法，它是一种经过改良后的光了干涉法，测量精度也可达到纳米量级，其原理图如图2所示:He-Ne激光器¥光阑半反射镜CCDY参考三物镜成像透角反射镜镜YA待测三角反射镜压电陶瓷(PZT)图2笔束激光干涉仪原理图激光器发出的是光斑直径甚细的准直激光朿，即笔朿光，记其相位分布为t/。。半反射镜将笔束光分为待测光束和参考光束。这两笔束光分别经待测反射棱镜和参考反射棱镜后,回到半反射镜，由于反射棱镜的关系此时待测与参考光束己不再重合，而是存在一定的间距2d。透

4、过半反射镜后，待测光束与参考光束平行入射到成像透镜，并在成像透锐的后焦面上重合发牛T•涉，形成T•涉条纹。如图2所示，因为成像透镜的后焦点恰好与物镜的前焦点重合于小孔光阑处，这使干涉条纹被物镜放大成像于CCD上，既增大了干涉条纹的分辨率,又减少了杂散光的影响。则CCD上干涉条纹的位移量X/为：X严(1)f2d式中M是物镜放大倍数，/是成像透镜的焦距，2d为待测光束与参考光束的空间间距，$为待测镜的位移虽。从上式中可知，记录干涉条纹移动数，就可得到位移虽，而测量的灵敏度完全取决于物镜放大率、成像透镜的焦距和两笔束光的空间间距。当/足够大I

5、12d足够小(使用笔束光的理由)，就可以得到纳米量级灵敏度。2、微弱振动的纳米测量与监视振动测量是由于振动物体位移引起待测光波位相的调制，并与参考光波产生T涉，光电接收装置将干涉信号转变为电信号，经过适当处理，利用电信号的变化求出振幅。其测量光路图与图2—致。激光入射光强厶，经半反射镜后，一支光束射向参考反射镜，光强为光程长为厶;另一支光束射向带有压电陶瓷PZT的待测三角反射镜，光强为人，测量镜静止吋光程长厶。两支光朿沿原路发射返回，经半反射镜在成像透镜后焦血汇合发牛T涉，合成光强为/=/,+/2+27^22兀cos——2•2(/2-Z

6、j)当压电陶瓷按x(/)=x0sinco.t振动时，待测三角发射镜的瞬时光程厂2可用卞式表示:(3)代入式(2),得瞬时的干涉光强/为：(4)/=/]+/?+2』I」?cos——(/2-/()+x0sin=ABcos0Al/I式中：A=/j+/2,B=2y]IlI2,0=——[(厶-Zj+XoSinq/]A当0=2加r(m为整数)时，光强有极人值。相邻两个极值光强Z间的相应位移为2/2,即压电陶瓷推动三角反射镜，每向前(或向后)位移久/2,干涉条纹的亮度变化一次。这个亮暗变化的光信号由光电探测器接受转换成电信号输出进行测量。测得其振动振

7、幅为：从丄N・入(5)°8式中，"是光强变化的频率打振动台振动频率Z比(即波形走一周期中条纹的移动数)。［实验记录及分析］1、位移的纳米测量步骤(1)打开激光器。(2)按照实验装置图1,调节笔束干涉光路图，使Z出现干涉条纹。(3)对压电陶瓷PZT输入直流电压，使PZT轴向移动三角反射镜，观察条纹平移情况，记录结果。(4)改变输入PZT的宜流电压，根据公式1,算出对应的X/,实现定标。(木实验屮,具体测得d〜3mm,放人镜放人倍数M取20,成像透镜焦距f取180加加)。调节实验光路图，并分别调节两反射棱镜，得出明喑条状干涉图。如图3所示文

8、件0）编辑@）查看边窗口⑪设置（S）帮fthQf）□whIer別二打就绪数字.图3位移纳米测量图2、改变输入PZT的直流电压，记录干涉条纹每向左移动一个周期时对应的百流电压U的大小，并计算得相应的X/值如表