现代光学干涉技术
• 干涉体系特点 : 普通光学仪器是物像关系,在于成象质量的优劣。 干涉仪是以条纹作为量测标准,因此是瞳,窗关系。 光学成象仪器: L入瞳——1个、 L 出瞳——1个(孔栏及象方的象) P入窗——1个、 P 出窗——1个(视栏及物方的象) 干涉系统: L入瞳——1个、 L1、L2出瞳——2个或多个(多光束成象) P1 、P2入窗——2个或多个(特殊情况下两者可能重合, 扬氏干涉,双缝是出瞳及入窗) P出窗——1个
1952年,英国工程师Charles Oatley制造出了第一台扫描电 子显微镜(SEM),可观察三维形貌。电子显微镜是20世纪最 重要的发明之一。
扫描电子显微镜(SEM) 扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)SEM 是研究材料、生物、微结构的重要设备。
分 辨 率:3.5 nm 最大放大倍数: 18~300,000 × 最大加速电压:30 kV 样品台尺寸:φ152.4 mm
七、信号的数字处理模式(软件处理流程); 1、 干涉系统压电扫描的非线性误差及校正 2、正交化方法在数字波前拟合中的应用
其它 1、每个学生应完成一次文献综述或阅读报告; 2、参加现场教学一次;
一、绪论: 1、干涉体系的应用及特点; • 干涉仪和激光干涉仪。 干涉仪:利用光的干涉原理对各种参数进行精密测量的仪器。 用普通光源:迈氏干涉仪、干涉显微镜、乌氏干涉仪。 激光干涉仪:激光器件与技术与干涉仪相结合的仪器。 数字波面干涉仪:双频激光测长仪、激光测振、用激光光源。 学习该门课牵涉到多门课程。几何光学、物光、电子学、计 算机、数字信号处理。 干涉系统的基本组成:光源及照明系统——干涉体系——观 察系统或光电接收系统——信号处理系统 • 干涉体系的应用及特点 。 具有广泛的应用范围 根据光强变化测量, 直接量:n , l 2 I I I 2 I I cos (n1L1 n2 L2 ) 1 2 1 2 间接量: 几何量:角度、面形(平面度、平直度)、粗糙度。
2.1 表面(微)纳米量级特征参数 2.1.1 表面形貌与波度 2.1.2 表面粗糙度与微观轮廓 2.1.3 物质纳米结构的辨识 2.2 纳米光电测试与横向分辨率之关联 2.3 相干测试技术与纵向分辨率之关联
2.1 表面(微)纳米量级特征参数 2.1.1 表面形貌与波度 面形:
D视场
D大于10mm或以上的 口径; 波度: 两者之间是按相邻的 两波峰或波谷的距离 (波距)来划分的。通常, 波度的波距在lmm到 10mm之间。
三维微观轮廓
• X射线元件、激光器的反射镜窗片、表面粗糙度三维轮廓 同步辐射光学元件、激光陀螺元件 表面纳米结构 等都要求很高的表面质量。
• 表面形貌测量在和纳米技术、生 物技术等学科领域上互相渗透,后 者的发展为前者带来了新的技术手 段和新的工作领域。
精密表面粗糙度二维轮廓
横向分辨率
纵向分辨率
横向分辨率— 系统所能感受到的最小的横向宽度(最小峰谷的宽度) 纵向分辨率— 系统所能感受到的最小的纵向深度(最小峰谷的深度)
1665年,英国科学家罗伯特· 胡克 用他的显微镜观察 “细胞”。
使用可见光作为光源的显微镜,它的分辨率极限是0.2微米。任 何小于0.2微米的结构都没法识别出来。提高显微镜分辨率的途径 之一就是设法减小光的波长,或者,用电子束来代替光。
根据德布罗意的物质波理论,运动的电子具有波动性,而 且速度越快,它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到 足够高,并且汇聚它,就有可能用来放大物体。由于电子的速 度可以加到很高,电子显微镜的分辨率可以达到纳米级。 ( 109 m)。 1938年,德国工程师Ernst Ruska制造出了世界上第一台电子 显微镜。
五、现代干涉光电信号处理技术 1、谐振增强的振动模型及其在纳米测试中的应用 2、微弱信号检测的锁相技术 3、AFM的谐振增强测试系统应用 六、干涉系统应用中的精密扫描与定位系统 1、 压电效应及非线性、迟滞效应; 2、 一维压电扫描系统; 3、 蠕动、冲击式压电直线电机; 4、 多维扫描柔性铰链压电系统;
激光核聚变中的波前在线诊断系统
输出诊断
前端-预放级
自适应光学系统 输入诊断
径向剪切干涉系统
核聚变总体装置
核聚变靶室
傅立叶光学信息处理重构原始波面的流程
仿真的畸变波前 圆瞳的畸变波前 加海明窗后的干涉图
干干干
9 8 7 6 5 4 3 2 1
x 10
6
傅氏变换后频谱 X干干干干干
0 -300
-200
物理量:振动、速度、加速度、力、光学传递函数、膜层厚度、应 变。 激光平面干涉仪:检定平面度及局部误差,菲佐型双光束干涉, 利用目视及照相检测。
数字波面干涉仪:测面形及曲条半经。可达精度:平面—— λ/100、 球面——λ/20。 光机电高度综合仪器,计算机存储信息,消除系统误差。
干涉显微镜:测表面光洁度,膜层厚度。 振动测试的激光测振仪:应用激光干涉测量振动振幅,主要是 基于振动物体位移引起光波位相调制。 瑞利干涉仪:利用二个气室,求出折射率之差。精度可达10-8。
扫描探针显微镜
显微镜横向分辨率提高历史的示意图
2.3 相干测试技术与纵向分辨率之关联 近十几年来高科技领域已达到微纳尺度,对测量技术提出了更高 的要求,迫切需要开拓新的手段。 扫描隧道显微镜、原子力显微镜研制成功,测量探针与被测器件 之间的原子力来测量微小尺寸。 这些系统都需要达到纳米甚至亚纳米级的纵向分辨力。为了准确 测出这些纳米尺度测量显微镜的精度,还必须溯源到光的波长上, 因此迫切需要精度达到纳米和亚纳米级的干涉仪来实现纳米尺度的 测量和标定。 横向分辨率高不等于纵向分辨率高,必须应用不同的探测手段 实现。
程系浙 所光大 学光 工电
研究生课程
课程内容简介
一、绪论: 1、干涉体系的应用及特点; 2、干涉测试系统中的横向、纵向分辨率及其关联; 3、干涉体系设计及瞳窗理论; 二、新颖干涉传感器 1. 干涉系统的空间和时间相干性; 2. 菲索干涉微位移传感系统; 3. 偏振分光器件及其干涉微位移传感器; 4. 双焦干涉微位移传感器; 5. 点衍射干涉微位移传感技术; 6. 剪切干涉系统; 7. 米勒系统;
三、精密长度及振动测量体系设计 1、激光干涉测长系统的工作原理; 2、激光光源的模式选择; 3、干涉体系的四倍频及移相; 4、激光测振及纳米测试技术中的谐振增强技术;
四、干涉微位移检测传感器的信号噪声及抑制技术: 1、微弱信号检测中的噪声; 2、电子共模抑制技术; 3、光外差干涉方法; 4、条纹扫描数字干涉系统; 5、空间位相调制技术;
分辨率:人眼或仪器 能分辨物体的最小间距(角分辨)。 人眼分辨率:在明视距离内只拥有1分的分辨率或0.1mm。 显微镜:最高1600倍放大率,实际上有象差,受衍射极限影响.
分划板
D
0.61 1.22 L n NA nD
1 D 2 L
NA
纵向
5500 A
横向
L
= 0.3m 所以,传统光学显微镜分辨率极限是 2
-100
0
100
200
300
重构后波前
消跳变
18 16 14 12 10 8 6 4 2
x 10
5
滤波移频后频谱
干干干干干X干干干干
0 -300
-200
-100
0
100
200
300
图3-30移频后的 方向的频谱图。
具有高的精度及灵敏度。 灵敏度(分辨率)仪器能感受到的最小变化量。 普通干涉仪目视:一般,在良好的实验室环境下—λ/10。 现在原子力量微镜:可以测量样品每个原子之间的间隔。分辨率可 ≤1A0.2A0 并可用计算机实时检测勾划出三维轮廓图。 精度:表征仪器对测量值的可靠程度,现原子力量微镜可达0.2A0 。 国内外:精度要有绝对的标准。 具有很大的测量范围。 60 年代前未有激光,最大测量范围受光源谱线限制。 Kr86 相干长度约 700㎜。 激光干涉仪: 激光方向性好,其2 约几个毫弧度。 能量密度高,红宝石激光可达104W,用于激光核聚变,1013 W 以上 单色性好=5×10-8 相干性好(时间相干性及空间相干性):相干 长度精度高,速度18M/min 。 测量速度大为加快。 条纹对比度好,已有测量范围从0~60m。
为提高分辨率,减小波长 从可见光——紫外光—— x射线 1nm 10nm 而更短的波长、电子射线 0.001nm
公元13世纪,出现了的眼镜——一种玻璃制造的透镜片。 16世纪末,荷兰的眼镜商詹森(Zaccharias Janssen)制 造的是第一台复合式显微镜。放大倍数1020=200倍。显微镜 和望远镜的前身。
表面粗糙度 :
视场在几十个m— 至几个mm。
PV = 0.213300 () RMS = 0.044035 ()
2.1.2 表面粗糙度与微观轮廓 近代高科技对表面形貌的高要求。 • 硅片表面粗糙度对集成电路的电 阻、电容、成品率影响很大; • 磁盘表面粗糙度影响到耐磨、信 号的读出幅度、信噪比等;
h h cos
cos
纵向分辨率——1 m 纵向分辨率——20 m
数字波面干涉系统
用于 宏观面形检测,纵向分辨率到nm 量级,波前RMS精度可达 1/300波长。
测量光路系统、数据处理方法等可以用于纵向的微位移检测参考。
干涉显微镜(迈克尔逊) Michelson,Mirau,Linik,Nomarski 测量的工作原理就是利用双光束干涉。CCD面阵接收器三维显示。 利用干涉检测的轮廓仪(微观检测,具有统计规律) 可以检测纵向高度,纵向分辨率到0.1nm ,横向(0.5-1) m 。
在电子显微镜下病毒(蚊子)
扫描隧道显微镜(STM) 用电子代替光,这或许是一个反常规的主意。1983年,IBM 公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)。这种显微镜比电子显 微镜更激进,它完全失去了传统显微镜的概念。