納米測量新技術(shù)

綜合性實驗
一、 實驗目的
4． 建立納米測量的概念，了解其實現(xiàn)方法。
5． 利用筆束激光干涉法進行納米量級的位移測量。
6． 了解微弱振動監(jiān)測的原理
7． 進行納米量級的微弱振動測量與監(jiān)視。
一、 實驗原理
納米科學是在納米（10-9m）和原子（約10-8m）的尺度上（1nm～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(shù)。納米測量技術(shù)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，是甚細的準直激光束（稱為筆束光），記其波前為U0。被分光鏡4分為測量光束和參考光束。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xf

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，而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。
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，用光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M1，光強為I1，光程長l1；另一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l2。兩支光束分別經(jīng)M1，M2反射后，在BS處會合發(fā)生干涉，合成光強為：
 


當振動臺按振動時（x0為振動臺振幅，w0為振動角頻率），測量鏡的瞬時光程長度可用下式表示：

代入上式，得瞬時的干涉光強I為：
 
                                                   
                                           圖2 納米振動測量原理圖

式中：
光強為極大值的條件是：，m為整數(shù)。相鄰兩個極大光強之間的相應位移是：，即振動臺面每向上或向下位移，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：

N是光強變化的頻率與振動臺振動頻率之比。
二、 實驗光路
圖3 實驗光路圖
四、 實驗步驟
1． 不擴束
2． 工作臺16的試件夾中裝入三角棱鏡，18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，使二反射光束成相距5～8mm的平行光，經(jīng)透鏡20會聚于焦點
3． 光闌22濾波（焦面內(nèi)移動）
4． 目鏡21成像，微調(diào)，使透鏡20焦點處的光點放大成像在CCD23上
5． 移動CCD23，使條紋清晰，鎖定23 
6． 啟動電源箱上PZT工作開關(guān)，運行計算機程序，送直流電壓，使工作臺33中PZT軸向平移三角棱鏡，觀察條紋平移情況。啟動電源箱上PZT工作開關(guān)，運行計算機程序，送正弦波，使工作臺18中PZT振動三角棱鏡，觀察條紋及振動情況
7． 運行計算機條紋程序，實現(xiàn)定標與計量
五、實驗記錄

序號	PZT驅(qū)動位移量S	移動條紋數(shù)（N）	Xf
1
2
3
4