基于Fabry-Perot干涉与原子晶格间距的微位移计量及溯源研究

发布时间：2017-03-27 15:11

  本文关键词：基于Fabry-Perot干涉与原子晶格间距的微位移计量及溯源研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微位移通常是指位移范围仅为至几毫米甚至几微米,而测量准确度则达到纳米亚纳米级。微位移测量方法很多,这些测量方法的准确性检验需要高精度的计量和溯源。随着纳米技术的发展,越来越多的高精度位移传感器需要计量,这对微位移计量技术提出了更高要求,目前位移计量主要采用迈克尔逊式激光干涉法,由于此类激光干涉法通常具有至少几个纳米的非线性误差,其测量精度难再提高。本论文针对当前纳米位移传感器校准和纳米测量仪器的微位移参量校准这两类典型的微位移计量需求,分别从溯源途径和计量方法方面进行了研究。首先,研究和设计了测量范围较大、可直接溯源至激光波长且无非线性误差的拍频Fabry-Perot激光干涉仪,并采用数字化锁相放大、程控式激光频率调谐和纳米定位等技术,使之突破了干涉腔自由光谱范围的限制,使其位移测量范围扩展至36μm,实验结果的测量不确定度优于3.5nm(k=2),使之能够用于纳米位移传感器计量。其次,针对不便于使用激光干涉法进行直接计量的纳米级测量仪器的微位移参量,提出采用X射线和原子晶格间距作为几何量溯源的过程媒介,先实现纳米薄膜厚度的高精度计量,然后研制台阶状纳米薄膜厚度片,用于实现纳米级测量仪器的微位移参量的量值溯源和量值统一,特别是纳米薄膜厚度的不确定度最高达到亚纳米级,为我国纳米计量标准体系在溯源精度上再获得跨越式提高。论文的主要内容和创新点如下:1.由于激光频率连续调谐范围的限制,拍频Fabry-Perot激光干涉仪的测量范围通常仅有几百纳米,所以只能用于干涉仪非线性测量。本论文基于激光测频、稳频、锁频、调频、换模等技术,提出了一种技术方法可以快速有效的扩展其测量范围,并建立了一套测量实验装置,实验证明它能够应用于纳米级准确度的微位移计量。2.建立和实现基于X射线波长和原子晶格间距的长度溯源途径,并提出一种采用X射线反射法测量纳米薄膜厚度的不确定度分析方法,建立了国家纳米薄膜厚度计量标准装置,其不确定度达到:U=0.3nm+1.5%H(k=2),H为厚度。3.研制了台阶状的纳米薄膜厚度标准片,通过它实现了扫描探针显微镜、激光共焦显微镜、轮廓仪等多种不同测量原理的纳米测量仪器的纵向位移的量值溯源和量值统一。
【关键词】：纳米计量 微位移测量 Fabry-Perot干涉 薄膜厚度测量 原子力显微镜 激光共焦显微镜 椭偏仪
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212;TH744.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-34
• 1.1 引言11-12
• 1.2 长度的量值溯源12-13
• 1.2.1 米定义的变迁12
• 1.2.2 长度量值的复现与溯源12-13
• 1.3 迈克尔逊激光干涉仪测长的发展13-23
• 1.3.1 迈克尔逊干涉仪13-14
• 1.3.2 单频激光干涉仪14-15
• 1.3.3 双频激光干涉仪15-18
• 1.3.4 合成波长激光干涉仪18-19
• 1.3.5 调频测距激光干涉仪19-20
• 1.3.6 激光自混合干涉仪20-21
• 1.3.7 飞秒光梳测距技术21-23
• 1.4 Fabry-Perot激光干涉法微位移计量技术进展23-25
• 1.5 非激光干涉法的微位移测量技术25-29
• 1.5.1 电容传感器26-27
• 1.5.2 光谱共焦位移传感器27-28
• 1.5.3 纳米光栅尺28-29
• 1.6 纳米级测量仪器的微位移参量校准29-32
• 1.6.1 扫描探针显微镜29-31
• 1.6.2 激光共焦扫描显微镜31-32
• 1.6.3 表面轮廓仪32
• 1.7 论文主要研究内容32-34
• 第二章 拍频Fabry-Perot干涉仪位移测量技术研究34-53
• 2.1 引言34
• 2.2 F-P激光干涉仪的光学原理34-38
• 2.2.1 多光束干涉效应34-37
• 2.2.2 F-P激光干涉仪位移测量原理37-38
• 2.3 拍频F-P激光干涉仪的原理与装置38-41
• 2.3.1 拍频F-P激光干涉位移测量装置38-40
• 2.3.2 相关的技术问题40
• 2.3.3 拍频F-P激光干涉仪微位移测量系统设计40-41
• 2.4 关键技术研究41-46
• 2.4.1 微位移测量范围扩展模型42-43
• 2.4.2 光学系统设计43-45
• 2.4.3 频率的锁定与测量45-46
• 2.5 空气折射率的测量与补偿46-52
• 2.5.1 关于Edlén公式46-47
• 2.5.2 环境温度传感器的校准与修正47-50
• 2.5.3 环境气压传感器的校准与修正50-52
• 2.5.4 环境湿度传感器的测量52
• 2.5.5 空气折射率的测量不确定度评定52
• 2.6 本章小结52-53
• 第三章 拍频Fabry-Perot干涉仪系统性能与实验分析53-70
• 3.1 引言53
• 3.2 位移系统的驱动与定位53-57
• 3.2.1 纳米定位技术与实现方法53-54
• 3.2.2 F-P干涉腔的定位控制54-57
• 3.3 系统拍频的测控过程57-63
• 3.3.1 激光器特性分析57-58
• 3.3.2 拍频计数方法58-59
• 3.3.3 频率跟踪及扫描59-62
• 3.3.4 调频、稳频与换模过程分析62-63
• 3.4 微位移测量实验分析63-69
• 3.4.1 测量规范及数据处理方法64-65
• 3.4.2 实验结果与分析65-66
• 3.4.3 测量结果的不确定度评定66-69
• 3.5 本章小结69-70
• 第四章 用于微位移溯源的纳米膜厚计量研究70-84
• 4.1 引言70-71
• 4.2 纳米薄膜厚度的测量71-78
• 4.2.1 X射线掠射法膜厚计量进展71-72
• 4.2.2 X射线掠射法原理72-73
• 4.2.3 膜厚测量装置73-74
• 4.2.4 膜厚计算方法74-77
• 4.2.5 膜厚的测量不确定度评定77-78
• 4.3 纳米薄膜厚度的量值溯源78-83
• 4.3.1 角度校准与溯源79-81
• 4.3.2 X射线波长的溯源81-83
• 4.4 本章小结83-84
• 第五章 基于纳米台阶膜厚的微位移溯源84-97
• 5.1 引言84
• 5.2 纳米薄膜厚度片的研制84-87
• 5.2.1 国内外技术进展84-85
• 5.2.2 膜厚标准片的设计和研制85-86
• 5.2.3 膜厚标准片的测量实验86-87
• 5.3 纳米测量仪器纵向位移精度验证87-91
• 5.3.1 扫描探针显微镜纵向位移校准88
• 5.3.2 共焦扫描显微镜纵向位移校准88-91
• 5.4 椭偏仪的溯源与校准91-96
• 5.4.1 椭偏仪的光学原理及装置91-93
• 5.4.2 系统装置与实验过程93-94
• 5.4.3 校准结果分析94-96
• 5.5 本章小结96-97
• 第六章 总结与展望97-99
• 6.1 论文总结97-98
• 6.2 相关工作的前景展望98-99
• 参考文献99-108
• 发表论文和科研情况说明108-110
• 致谢110-111

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