纳米测量光学试验试验目的和内容建立纳米测量的概念

6.纳米测量光学实验一、实验目的和内容1．建立纳米测量的概念，了解其实现方法。2．了解微弱振动监测的原理3．利用笔束激光干涉法进行纳米量级的位移测量。二、实验基本原理1．位移的纳米测量方法纳米科学是在纳米（10-9m）和原子（约10-8m）的尺度上（Inm〜100nm）研究物质的特性、物质相互作用以及如何利用这些特性的多学科交叉的前沿科学与技术。纳米测量技术是纳米科学的一个重要分支。用于纳米测量的笔束激光干涉仪原理如图1所示：激光器发出的激光，是甚细的准直激1-激光器2■反射領二哀减器乂分光棱領工参考镜6■测量镜?-压电陶瓷8■傅立叶透镜9-空间滤波器10物镜11-CMDS閣像系绒圉1光束（称为笔束光），记其波前为U。。被分光镜4分为测量光束Im和参考光束-。这两笔束~光分别经各自的直角棱镜反射后，被平行地反射回来并再一次到达分光镜4，但此时Im与[已不再重合，而是存在一间距2d。经过分光镜4后，测量光束与参考光束平行入射至傅立叶变换（FT）透镜8,并在FT透镜8的后焦面上发生干涉，形成计量条纹。干涉条纹被物镜10放大后成像于CMOS11上,通过图像采集卡输入计算机进行数据处理。在CMOS上干涉条纹的位移量XfXf=MfAN/（2d）式中N为条纹移动数，M为物镜10的放大倍数，f为FT透镜8的焦距，2d为测量光束与参考光束的空间间距，S为测量镜的位移量。从上式中知道，记录干涉条纹移动数，就可得到位移量，而测量的灵敏度完全取决于物镜放大率，FT透镜的焦距和2d。当f足够大2d足够小（所以用笔束光的理由），就可以得到纳米量级灵敏度。而该装置却很简单2．微弱振动的纳米测量与监视四．振动测量是基于振动物体位移引起测量光波位相的调制，通过与参考光波发生干涉电接收装置将干涉信号转变为电信号，经过适当的电子学处理，求得振幅值。激光入射光强I0,经分光镜BS后，一支光束射向参考镜M],光强为I],光程长1]；另

支光束射向贴在振动台面上的测量反射镜M2，光强为I2,测量镜静止时光程长12。两支光束分别经M],M2反射后，在BS处会合发生干涉，合成光强为I二I+1+2.1TTcos生.2(1-1)1 2中12 九 2 12代入上式，当振动台按x(1)Lxo2代入上式，当振动台按x(1)Lxosin°ot振动时(x0为振动台振幅，°0为振动角频率),测量镜的瞬时光程长度可用下式表示：1'二1+xsin°t200得瞬时的干涉光强I为：I二I+I12+2J11cos竺[(/-1)+xsin°11V12九2 1 0 011(1人光电探测M —I振动1台A二I+1,式中：12[0-1)+21xsin°t00光强为极大值的条件是：©二2观兀，m为整数。相邻两个极大光强之间的相应位移是:干涉条纹的亮暗就变化一次。这个亮暗变干涉条纹的亮暗就变化一次。这个亮暗变化的光信号由光电探测器接收转换成电信号输出进行测量。振动振幅为：1x= •N•九08N是光强变化的频率与振动台振动频率之比。三、实验用具与装置图实验用具：激光实验仪装置光路图1－激光器2－小口径衰减器3－定向孔 5－定向孔6－反射镜7－反射镜8－扩束镜9－滤波孔10－反射镜11－扩束镜23－光电接收器24-目镜25－可调光阑 28－准直透镜29－衍射试件平台30－分光棱镜31－共焦显微镜32－多功能试件夹及组合工作台33－组合工作台激光经6，7，10转向，30分光，32，33上试件折成两束近距平行光，经28会聚于焦平面上一点，移动24使该点放大成像于23上，将看到比普通干涉条纹更灵敏的纳米干涉条纹，33上装PZT驱动试片，控制PZT的驱动波形与干涉条纹、计数、均由计算机实现。

四、实验操作步骤位移的纳米测量方法实验步骤：（一）光路调试A、 打开激光器；B、 调反射镜6、7、10,使笔束光过定向孔3、5。C、 工作台32的试件夹中装入三角棱镜，33的试件夹中装入带PZT的三角棱镜,利用工作台测微螺杆和调平调向螺钉调节三角棱镜，使二反射光束成5〜8mm的平行光，（本实验具体测得d=3mm）经透镜28会聚于焦点，光阑25置于焦点处，在焦平面内移动，滤波。D、 调镜24成像，微调，使透镜28焦点处的光点放大成像在CMOS23上，移动CMOS使条纹清晰,锁定23.（二）启动PZT工作开关，送直流电压，使PZT轴向移动三角棱镜•运行计算机程序,观察条纹平移情况.=(20*180s)/3=1200s2、微弱振动的纳米测量与监视实验步骤：（一）光路调试1．调反射镜6，7，8，使笔束光过定向孔3、5。工作台32的试件夹中装入三角棱镜，33的试件夹中装入带PZT的三角棱镜，利用工作台测微螺杆和调平调向螺钉调节三角棱镜，使二反射光束成5〜8mm的平行光，（本实验具体测得d=3mm）经透镜28会聚于焦点，光阑25置于焦点处，在焦平面内移动，滤波。目镜24成像，微调，使透镜28焦点处的光点放大成像在CMOS23上，移动CMOS,使条纹清晰，锁定23。（二）启动PZT工作开关，运行计算机程序，送正弦波，使工作台33中PZT振动三

角棱镜，观察条纹及振动情况。记录实验数据，进行计量并定标。五、数据处理将实验数据填入相应的表格•计算出位移量S的平均值六、 实验结果分析与实验报告要求实现纳米测量的关件技术是什么?分析实验结果好坏的原因.提出进一步改进的措施.七、 思考题与预习自测题什么叫纳米科学?研究光学纳米测量技术有何意义?什么叫笔束激光?为