纳米测量新技术

综合性实验
一、 实验目的
4． 建立纳米测量的概念，了解其实现方法。
5． 利用笔束激光干涉法进行纳米量级的位移测量。
6． 了解微弱振动监测的原理
7． 进行纳米量级的微弱振动测量与监视。
一、 实验原理
纳米科学是在纳米（10-9m）和原子（约10-8m）的尺度上（1nm～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，是甚细的准直激光束（称为笔束光），记其波前为U0。被分光镜4分为测量光束和参考光束。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xf

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，而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。
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，用光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M1，光强为I1，光程长l1；另一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l2。两支光束分别经M1，M2反射后，在BS处会合发生干涉，合成光强为：
 


当振动台按振动时（x0为振动台振幅，w0为振动角频率），测量镜的瞬时光程长度可用下式表示：

代入上式，得瞬时的干涉光强I为：
 
                                                   
                                           图2 纳米振动测量原理图

式中：
光强为极大值的条件是：，m为整数。相邻两个极大光强之间的相应位移是：，即振动台面每向上或向下位移，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：

N是光强变化的频率与振动台振动频率之比。
二、 实验光路
图3 实验光路图
四、 实验步骤
1． 不扩束
2． 工作台16的试件夹中装入三角棱镜，18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，使二反射光束成相距5～8mm的平行光，经透镜20会聚于焦点
3． 光阑22滤波（焦面内移动）
4． 目镜21成像，微调，使透镜20焦点处的光点放大成像在CCD23上
5． 移动CCD23，使条纹清晰，锁定23 
6． 启动电源箱上PZT工作开关，运行计算机程序，送直流电压，使工作台33中PZT轴向平移三角棱镜，观察条纹平移情况。启动电源箱上PZT工作开关，运行计算机程序，送正弦波，使工作台18中PZT振动三角棱镜，观察条纹及振动情况
7． 运行计算机条纹程序，实现定标与计量
五、实验记录

序号	PZT驱动位移量S	移动条纹数（N）	Xf
1
2
3
4