现代光学测试技术.ppt

光学研究方法 光学测试技术 要求 1 写一篇综述论文 字数3000字以上 2 内容 首先对光学测试技术进行综述 然后结合课内讲述内容 就一个测试内容进行综述 也可以就一个研究领域进行综述 1领域与特点 一 研究领域凡是利用光学原理进行精密测量的技术 都称为光学测试技术 主要方向有 计量 测量 检验与测试一般说计量是泛指对物理量的标定 传递与控制 测量是泛指各种物理量与技术参数的获取方法 检验是泛指产品质量的评估技术与方法 而测试则是测量 试验与检验的总称 侧重于方法与技术的研究 而不是产品质量的标定方法研究 光学测试技术的主要研究领域如表0 1所示 二 技术特色 三 技术现状 光电仪器光加工设备图0 1光学产业发展砚状现代光学测试技术主要介绍 干涉技术 全息技术 散斑技术 莫尔技术 衍射技术 光扫描技术 光纤传感技术 激光多普勒技术 激光光谱技术 信息与图像技术 光学纳米技术等 随着激光器的出现和傅里叶光学的形成 特别是激光技术与微电子技术 计算机技术的结合 出现了光机电算一体化的现代光学测试技术 上图为光机电算金字塔结构 塔顶是光学 支撑基础 2方法的选择 面对一个计量测试任务 首先碰到的问题是如何合理而可靠地选择一种好的测试原理 合理选择光学测试方法的原则是根据五点 1 测定对象 2 测定范围 3 灵敏度或精度 4 经济性 5 测试环境 测定对象是指被测的类型 例如是测量长度 还是测量角度 是测量速度还是测量位移 是测量温度还是测定温度变化 不同测定对象 有完全不同的测试方法 同样 同一测定类型但测定范围不同时 也有不同的测试方法可供选择 表0 4 由测定对象和测定范围来选择的测试方法 选择测试方法的另一主要原则是测量灵敏度和要求的精度 图0 3是主要光学测试方法在尺寸上能达到的灵敏度 分辨率 43技术发展方向 随着新世纪的开始 科学技术必然是高新技术的日新月异和工业生产的精密化 自动化和智能化 这就对光学测试技术提出新的要求 促使光学测试技术的近代发展走向如下几个方向 l 亚微米级 纳米级的高精密光学测量方法首先得到优先发展 2 快速发展小型的 微型的非接触式光学传感器 3 半导体激光器 LD 及其阵列 光开关 光滤波器 光电探测阵列等新器件将在过程控制 在线测量与控制上得到广泛应用 4 微光学这类微结构系统将崭露头角 5 快速 高效的3 D 三维 测量技术将取得突破 6 发展带存贮功能的全场动态应变测量仪器 7 发展闭环式光学测试技术 实现光学测量与光学控制的一体化 8 以微细加工技术为基础的高精度 小尺寸 低成本的集成光学和其他微传感器将成为主流方向 9 发展光学诊断和光学无损检测技术 总复习第一章光干涉技术一 泰曼 格林干涉仪的结构和工作原理泰曼 格林干涉仪的结构如图1 16所示 准单色点光源和透镜L1提供入射的平面波 平行光束 干涉仪的一臂装有参考反射镜M1 另一臂则装上被测试的光学元件M2 光源发出的光经分光镜分光后分别由M1和被测试的光学元件M2反射在观察孔处相遇干涉 形成干涉条纹 干涉条纹可用目视观察或用照相机 镜头应位于L2的焦点处 把干涉条纹拍摄下来进行分析 根据干涉条纹的变化 就可判断被测光学元件的质量 在图1 16中所示泰曼一格林干涉仪中 球面镜M2的曲率中心和被测透镜的焦点重合 如果待测透镜没有像差 那么 返回到分束器的反射波将仍是平面的 然而 如果被测透镜有球差 彗差或像散引起波阵面的变形 那么就会清楚地看到具有畸变的一幅干涉条纹图 并且可把干涉条纹拍摄下来进行分析 若把M2换成平面镜 就可以检验许多别的光学元件 如梭镜 光学平板等 三 共路干涉仪测试在泰曼 格林干涉仪中 由于参考光束和测量光束沿着彼此分开的光路行进 它们受到环境的振动和温度的影响不同 如果不采取适当的隔震和恒温措施 则观察面或接收面上的干涉条纹是不稳定的 就不可能进行精确的测量 共路干涉仪可以较好地解决上述问题 所谓共路干涉仪 就是干涉仪中参考光束与测量光束经过同一光路 对环境的振动和温度 气流的变化能产生彼此共模抑制 一般无需隔震和恒温条件也能获得稳定的干涉条纹 一 斐索共路干涉仪测试 二 散射板分束器及散射板干涉仪1 散射板分束器散射板分束器是一块利用特种工艺制作的弱散射体 会聚的入射光束经这一散射板以后被一分为二 一部分光束直接透过散射板到达被测表面的中心区域 另一部分光束经散射板后 被散射到被测表面的全孔径 如图1 31所示 这两支光束均由被测表面反射后复经散射板第二次透射 散射后产生干涉 散射板分束器上各点的相位不是随机分布的 每一散射点都具有对散射板中心反转对称的相位分布 即相对于散射板中心的每一对对称散点都是同相点 但相邻散射点的相对位相呈随机分布 制板时为了使散射板上的散射点位相具有反转对称的性质 在同一全息干板上要作二次曝光 并在二次曝光时把全息干板绕轴精确地旋转1800 2 散射板干涉仪 1 光路原理 1 3多通道干涉仪测试一 双通道干涉仪 一 用双通道干涉仪进行像差分离在泰曼 格林干涉仪中 当被测透镜存在多种像差时 要从干涉图中对个别像差进行估计是很困难的 若改成双通道排列来使用 就可以使对称的波像差和非对称的波像差以分离的干涉图显示出来 双通道泰曼 格林干涉仪如图1 70所示 1 5长度 间隔 高度 振幅 的激光干涉测量一 激光干涉测长的工作原理及特点干涉测长仪器是用光波波长为基准来测量各种长度 如各种线纹尺 量块 曲率半径 高度等 的仪器 干涉测长仪是属测量干涉场上指定点上位相随时间而变化的干涉仪 激光干涉测长仪与用其它准单色光源的干涉测长仪相比 具有下列的显著优点 1 测量范围大 干涉仪的相干长度取决于光源的单色性 可由下式表示 现在已有测量距离大于1000 的干涉测长仪 2 测量速度高用光谱灯来检定一米长的线纹尺 一般要用几个小时的时间 用激光作光源来进行检定一般只要数分钟就够了 测长时 速度的快慢不仅是效率的问题 而且还关系到测量精度 测量速度愈高 外界干扰因素 如温度 气流及振动等 的影响愈小 愈有利于提高测量精度 3 仪器结构简化 激光干涉测长的工作原理如图1 101所示 1 6激光外差干涉测长与测振激光光波干涉比长仪以光波波长为基准来测量各种长度 具有很高的测量精度 这种仪器中 由于动镜在测量时一般是从静止状态开始移动到一定的速度 因此干涉条纹的移动也是从静止开始逐渐加速 为了对干涉条纹的移动数进行正确的计数 光电接收器后的前置放大器一般只能用直流放大器 而不能用交流放大器 因此在测量时 一般对测量环境有较高的要求 一般的干涉比长仪不能用于车间现场进行精密测量 为了适应在车间现场实现干涉计量的需要 必须使干涉仪不仅具有高的测量精度 而且还要具有克服车间现场中气流及灰雾引起的光电信号直流漂移的性能 光外差干涉技术是为解决车间现场测量问题而发展起来的 这种技术的一个共同点是在干涉仪的参考光路中引入具有一定频率的副载波 干涉后被测信号是通过这一副载波来传递 并被光电接收器接收 从而使光电接收器后面的前置放大器可以用一交流放大器代替常规的直流放大器 以隔绝由于外界环境干扰引起的直流电平漂移 使仪器能在车间现场环境下稳定工作 一 双频激光外差干涉仪图1 141示出双频激光外差干涉仪的光学系统 干涉仪的光源为一双频He Ne激光器 这种激光器是在全内腔单频He Ne激光器上加上约300特拉斯的轴向磁场 由于塞曼效应和频率牵引效应 使该激光器输出一束有两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光 它们频率差 约为1 5MHz 这两束光经分光镜4分成两路 反射光经检偏器5产生 拍 其拍频即为1 5MHz 经探测器转电信号 经放大器后送给计算机 频率牵引效应 在激光器中 由于激活介质的存在 与空的光学谐振腔不同 其振荡模工作频率会因色散的存在位置有所移动 会向激活介质的中心频率稍微靠近 形成所谓频率牵引现象 若测量镜以速度为 运动 移动或振动 则由于多普勒效应 从测量镜返回光束的光频发生变化 其频移为 该光与返回光会合 形成 拍 其拍频信号可表示为 计算机先将拍频信号与参考信号进行相减处理后 就得到所需的测量信息 设在动镜移动的时间t内 由引起的条纹亮暗变化次数为N 则有 上式中为在时间 内动镜移动的距离L 于是有 第三章散斑技术一 散斑的形成及其性质当一束激光射到物体的粗糙表面 例如铝板 上时 在铝板前面的空间将布满明暗相间的亮斑与暗斑 若再置一纸屏于铝板的前面 会更明显地看到这一现象 这些亮斑与暗斑的分布是杂乱的 故称为散斑 不论将纸屏置于近处或远处 都可以看到这一现象 这表明铝板前面的整个空间都布满着散斑 仅在纸屏靠近铝板时 散斑较小 远离铝板时 散斑较大 若所用铝板的表面不是粗糙的 而是光滑的话 则入射光线被铝板反射 而不成散射 所以在纸屏上将看不到散斑 若所用的虽是粗糙的表面 但入射的不是激光 而是白光或钠光 这时虽发生散射光 但由于光线并不相干 会聚到P点的各散射光不发生干涉 即不会形成暗斑和亮斑 二 形成散斑必须具备的条件 1 必须有能发生散射光的粗糙表面 为了使散射光较均匀 则粗糙表面的深度必须大于波长 2 入射光线的相干度要足够高 例如使用激光 当激光射到毛玻璃上时 因为符合以上两个条件 所以 在毛玻璃后面的整个空间充满着散斑 三 离焦记录时的拍摄装置图3 7为离焦记录时的拍摄装置 在图中 位于成像平面P 点的散斑是由观察面上的P点所决定的 而P点散斑又是由位于物面上M点的面积元d 所形成的 离焦量 大 则物点上较大的面积形成P点的散斑 测得的是该面元对P点影响的平均值 因而降低了测量精度 另一方面 离焦量 大测量灵敏度高 所以在测量中要合理选择离焦量 在散斑测量中 为了使各方向的转动或移动有同样的灵敏度 一般取垂直于表面的方向观察或拍摄 在实际应用中亦是这样的 第四章莫尔条纹技术 4 2光栅读数头一 莫尔条纹信号的特点 一 条纹把位移放大上面已经介绍 以微小角度 叠合的两块光栅得到的是横向条纹 这种莫尔条纹是位移测量的基准 由于W P 因此条纹放大1 倍 就是说光栅副起到一个高质量的可调前置放大器的作用 它能将微小位移变化合理放大 获得信噪比很大的稳定输出 由于条纹宽度比光栅节距放大几百倍 所以有可能在一个条纹间隔内安放细分读数装置 以读取位移的分度值 即进行细分 二 误差的平均效应光电接收元件接收的信号 是进入视场的光栅线数N的叠加平均的结果 而一般进入视场的光栅线条有几十线对甚至上千线对 这样光电元件接收的信号是这些线条的平均结果 因此当光栅有局部误差时 由于平均效应 使光栅缺陷或局部误差对测量精度的影响大大减小 大致的关系是 为平均误差 三 光栅信号与位移的对应关系光栅副中任一光栅沿横向 垂直于线纹方向 移动时 莫尔条纹就沿垂直方向移动 而且移过的条纹数与栅距是一一对应的 即光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个条纹宽度w 所以测出了莫尔条纹移动的数目 也就知道了光栅移动的距离 这种严格的线性关系就是用莫尔条纹进行长度与角度测量的原理 四 信号波形的正弦性莫尔条纹光场的亮度分布符合正弦规律 经由光电元件转换之后 如果接收狭缝比条纹宽度窄得多 则输出信号的瞬时波形也和莫尔条纹的亮度分布一样 非常接近于正弦波 由于亮度没有负值 极限为零 因此光电元件所取得的信号总是叠加在一个平均信号之上 平均信号反映了平均亮度 即背景 所以 经光电元件转换后 形成了带有平均电压的交变信号 如图4 6所示 五 共模漂移光栅的平均背景引起共模电压 但是 光栅全长上透光量并非处处一样 工作期间光源的亮度也难保持不变 这样 在光栅不同位置上 将有不同的平均背景 于是产生共模漂移 共模及共模漂移都影响光栅系统的工作性能 在信号曲线上 只有与Vcp相交的那些点 见图4 6中的b和d称过零点 灵敏度最高 稳定性最好 因此作为对准定位和触发脉冲等用途的工作点 幅度调制系统的细分也是以这些过零点作依据 如果共模电压相对地大 那么系统 指工作点 是不稳定的 如有共模漂移 即实际工作点就会偏离过零点 由此引起脉冲间隔的变化 容许的漂移值应由插补系数或定位精度确定 六 反差光电信号的反差 即衬度 常用调制系数K0 调制度Md或对比度C来评价 见图4 6 二 光栅读数头组成实际应用中 常根据读数头的结构特点和使用场合分为 分光读数头 直接接收式 或硅光电池式 读数头 镜像读数头以及反射光栅读数头等 就光学系统而言 不外乎夫琅和费系统和费涅尔衍射系统两类 读数头由光源 准直透镜 指示光栅 光电元件和必要的光阑 接收狭缝及调整机构等部分组成 光源的灯丝应安置于准直透镜的焦点上 准直透镜也有一定的像差要求 灯丝必须细而直 照度要稳定 否则会因背景变化而引起直流漂移 造成计量误差 光电元件主要有硅光电池 光电二极管和光电三极管 光电管的空间位置应能调整 以便能对准所需要的光谱级和谱带 并准确地配置在透镜的后焦面上 还应放置必要的接收光阑 以便获得一定强度的信号和提高信号的信噪比 三 分光读数头 一 单相型 图4 7 从光源S出发并经透镜L 准直的光束 以 角入射到光栅副G1和G2 从光栅副衍射的各级群光束的方向均由光栅方程确定 二 多相型为了适应判别方向和补偿直流漂移的需要 通常要求二相或四相信号 它们之间在相位分别有 或 2的相移 产生多相信号的方法 一种是采用分开的组合透镜 并成像于不同的光导管上 一种可采多相指示光栅 并相应地由多相的光导管接收 也可以用远心光路方法 在光栅像面上用多硅光电池接收莫尔条纹像的信号 图4 9表示直读分光型读数头 四 直接接收式读数头 一 单相型如图4 10所示 平行光束垂直入射到主光栅上 硅光电池接近指示光栅直接接收光花样 由于是单相型读数头 故必须接收同相位的信号 因此应该采用光闸式莫尔条纹 即两块光栅节距是相等的 而线纹方向是平行的 并采用小间隙布置 因此视场中的亮度应是一样的而且是均匀的 以保证整个视场中位相的一致性 二 四相型四相型分为四相指示光栅和四极硅光电池两种 采用硅光电池时 条纹宽度应调到四极硅光电池的有效通光尺寸 以得到0 4 2 3 2四相信号 近年来 采用发光二级管作为光源 光电三极管作为接收元件的系统十分盛行 指示光栅上的四块光栅位置 相互保持00 900 1800 2700的相位 见图4 11 五 镜像式读数头 一 单块光栅成像式如图4 12所示 原理上属于分光系统 只是不用指示光栅 而由适当的光学系统形成主光栅像来代替 因此 不必考虑光栅间隙 而且由于光学系统保证了光栅和光栅像之间移动方向相反 因而信号频率提高一倍 这种读数头尺寸大 如果把光学系统改为中心反射式 则读数头的外形尺寸可以缩短 二 两块光栅式这是一种投影式的光学系统 其图形见4 13 这种型式的读数头可按最小偏角法或垂直入射式布置 光栅G1经照明之后 在L2的焦平面上产生光谱面 在这个面上可以用滤波小孔 让需要的光谱级次通过 然后在G2光栅面上产生光栅G1的谱点所形成的光栅像 六 反射式读数头由于机床制造行业的需要 发展了金属反射型光栅读数头 金属光栅大多以钢带为基体 上面涂以超微粒乳剂或光刻胶作为感光层 然后通过投影光刻法获得光栅线纹 如采用不锈钢钢带作为反射光栅基体 可以减小因膨胀系数不同而影响精度的因素 如图4 14 第五章光衍射技术二 计量原理激光衍射计量的基本原理是利用激光下的夫朗和费衍射效应 夫朗和费衍射是一种远场衍射 图5 1是远场和近场衍射的原理示意图 如图a 所示 当光源s照明E1平面上的一个孔H时 在距离R的观察屏E2上将看到孔H的阴影 按照几何光学的观点 光线是直线前进的 光在孔H的边缘通过的方向应是sa与sa 虚线所示 但实际上的阴影却扩大了 这是由于光在孔H的边缘上发生了衍射 光线向外曲折 实线所示 因此 光的衍射区是ab与a b 当时称为菲涅尔衍射 图b 和图c 为夫朗和费衍射 图5 2是衍射计量的原理图 它是利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射来完成的 在观察屏E上由单缝形成衍射条纹 其光强I的分布由物理光学知道有 式中 三 基本公式先讨论衍射的一般性情况 如图5 3 设E1平面上光孔的瞳函数为F 当略去光能损失 孔F 在E2上的衍射分布为 式中 是孔平面图上的复振幅分布 在E2平面上的任意一点p的光强为 当光孔的形状为矩形孔 矩形的高为 宽为 如图5 4 所示 这时可用一个二维矩形函数来表示 E2面上任一点P的振幅 应该是此二维矩形函数的傅里叶变换 略去光能损失 则 因此 对矩形孔 在E2平面上的衍射像有两列 呈十字格线分布 如图5 4a 所示 每一列的光强分布 如图5 4b 所示 两个方向上光强的大小按式 5 3 可写出 当光孔为单缝时 除中央零级以外 光强很Iy很小 通常观察不到 所以衍射条纹只沿x方向分布 设 w 缝宽 则衍射条纹的光强分布为 对sinc 辛格 函数 其定义是 设 则有 上式就是远场衍射光强分布的基本公式 此式说明 1 衍射条纹是平行于单缝方向的 2 当 0 2 3 n 时 出现一系列暗条纹 利用暗条纹作为测量指标 就可以进行计量 因为 对暗条纹则有 当 不大时 从远场条件 有 所以有 即 上式就是衍射计量的基本公式 四 技术特点衍射计量在技术上有四个特点 1 灵敏度高 2 精度有保证 这首先是激光下的夫琅和费衍射条纹十分清析 稳定 其次 这是一种非接触测量 而且采用照相或光电系统测量衍射条纹是可行的 精度可以微米级 3 装置简单 操作方便 测定快速 4 可实现动态的联机测量和全场测量 测定时物体不必固定 能为工艺过程提供反馈信号 显著提高工艺效率 衍射计量的不足之处是绝对量程比较小 量程范围约0 01 1 5mm 超过此范围必须用比较测量法 另外 当w小时 衍射条纹本身比较宽 不容易获得精确测量 而且R大 装置外型尺寸不能紧凑 限制了衍射计量的应用范围 5 2激光衍射计量技术 一 基本方案及其分析利用衍射条纹进行精密测试 其方法归纳起来分为两大类 l 记录固定点衍射强度的方法 图5 5a中A和B点 2 记录衍射分布特征尺寸 指衍射分布极值点之间的距离或角量 的方法 图5 5b中的t 二 间隙计量法间隙计量法是衍射技术的基本方法 主要适合于三种用途 l 作尺寸的比较测量 图5 8a 2 作工件形状的轮廓测量 图5 8b 3 作应变的传感器使用 图5 8c 这三种用途的基本装置如图5 9所示 间隙法的计算公式 或 其中 为条纹间隔 三 反射衍射法从原理上说 主要是用反射镜形成狭缝 图5 13是反射衍射法的原理图 狭缝由刀刃A与反射镜B组成 反射镜的作用是用以形成A的像A 这时 相当于以 角入射的 缝宽为2w的单缝衍射 显然 当光程差满足下式时 出现暗条纹 按三角级数将上式展开 对远场衍射有 代入前式 整理后有 四 分离间隙法分离间隙法是利用参考物和试件不在一个平面内所形成的衍射条纹来进行精密计量的方法 分离间隙法的原理图示于图5 15 对于P1点 出现暗条纹的条件是 对于P2点 出现暗条纹的条件是 因为 则有 由上式可得 五 互补测定法激光衍射互补测定法的原理是基于巴俾涅定理 此定理的原理示于图5 17 图5 18是利用互补法测量细丝直径d或薄带截面尺寸的原理图 细丝直径与衍射条纹之间的关系为 为获得明亮的远场条纹 一般用透镜在焦面上形成夫朗和费条纹 如图5 19所示 设透镜的焦距为f 则计算公式为 则 六 爱里圆测定法由物理光学知道 平面波照射的开孔不是矩形而是圆孔时 如图5 20所示 其远场的夫朗和费衍射像 是中心为一圆形亮斑 外面绕着明暗相间的环形条纹 这种环形衍射像就称为爱里圆 爱里圆中心亮斑的直径d为 第九章激光光谱技术 9 3激光喇曼光谱技术一 基本原理当单色光作用于试样时 除了生产频率和入射光相同的 称为瑞利散射光以外 还有一些强度很弱的 频率和入射光不同的散射光对称分布在瑞利光的两侧 这种散射光被称为喇曼散射光 在瑞利光低频一侧的叫斯托克斯线 stokes线 高频一侧的叫反斯克斯线 Antistokes线 喇曼散射可以看成一个入射光子 和一个处于初态E 的分子作非弹性碰撞 在碰撞过程中 光子和分子之间发生能量交换 光子不仅改变运动方向 还把一部分能量传递给分子 或从分子取得一部分能量 因此 在碰撞后被检测到的光子 其能量比原来的低些或高些 喇曼散射过程也可用能级图作定性的说明 如图9 8所示 在散射过程中 中间态经常被描述为受激虚态 它是不稳定的 并且不一定是真实的分子本征态 如果这个虚能级和分子本征态之一相符合 则被称为共振喇曼效应 二 激光喇曼分光计线性激光喇曼光谱研究和分析用的实验装置 激光喇曼分光计不仅已经商品化 而且结构日趋完善 典型的仪器通常由5个基本部分组成 激发光源 前置光路 或称外光路 单色仪 探测放大系统和计算机系统 如图9 10所示 三 单色仪单色仪是激光喇曼分光计的核心部件 决定着整台仪器的基本特性 激光喇曼光谱技术对单色仪的要求比一般在可见光区工作的仪器要高得多 对分辨率和波数精度要求很高 约为0 2 2cm 1 这在波长为5000 处 相当于0 05 0 5 另外还要求单色仪聚光本领强 有大的相对孔径 而且对抑制杂散光提出特别苛刻的要求 为了满足上述高分辨率 强聚光本领 尤其是低杂散光的要求 通常把两个单色器串联成双单色仪 串联的方式可以是色散相加的或色散相减的 从理论上讲 后者可以很好消除光栅不完善所形成的杂散光 但由于它的色散率只相当于一个单色仪 不利于提高分辨率 因此一般都采用色散相加的形式 也有的仪器可以根据需要由使用者方便地把相加型改为相减型或反之 还有用三个单色器串联成三单色仪的喇曼分光计 可以进一步抑制仪器的杂散光 四 探测放大系统喇曼分光计的灵敏度标志着仪器所能探测的最小光信号 它除和光学系统的聚光本领及杂散光有关外 还取决于探测和放大系统的灵敏度和噪音 由于喇曼散射光极弱 一般估计当激发光的功率为lw时 到达探测器的散射光功率仅约为10 10 10 11w 甚至更低 因此对探测放大系统最主要的要求就是高灵敏度和高信噪比 以便把被噪音所干扰 甚至是淹没在噪音中的有用微弱信号检测出来 光电转换元件和弱信号探测技术上的新进展有效地满足了上述要求 促进了喇曼光谱技术的发展 在喇曼光谱的单通道或双通道测量技术中 应用宽的光谱响应范围 高灵敏度和极低噪音的光电倍增管作探测器 光子计数器工作原理 光子计数器一般包括前置放大器 脉冲高度鉴别器 脉冲计数器 数模转换器 计数的结果可以数字的形式也可以模拟电压输出 其工作原理如图9一17所示 由上式可知 隧道电流强度对针尖与样品表面之间的距离非常敏感 如果距离S减小0 1nm 隧道电流I将增加一个数量级 因此 利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定 并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面扫描 则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏 图11 3 a 将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接记录显示出来 就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图像 这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品 且可通过加在Z向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值 这是一种常用的扫描模式 对于起伏不大的样品表面 可以控制针尖高度守恒扫描 通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布 见图11 3 b 这种扫描方式的特点是扫描速度快 能够减小噪音和热漂移对信号的影响 但一般不能用于观察表面起伏大于1 0nm的样品 从式 11 1 可知 在V 和I保持不变的扫描过程中 如果功函数随样品表面的位置而异 也同样会引起探针与样品表面间距S的变化 因而也会引起控制针尖高度的电压V 的变化 如样品表面原子种类不同 或样品表面吸附有原子 分子时 由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度的功函数 此时STM给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏 而是表面原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果 一 AFM的工作原理AFM的工作原理示于图11 6 将一个对微弱力敏感的微悬臂一端固定 另一端有一微小的针尖 试祥相对针尖运动 当针尖接近试样时 起初针尖得到一个很小微弱拉力 然后由针尖上最后一个原子和试样表面相对的那个原子之间的原子力而产生一个排斥力 10 8 10 6N 由于这个力使弹性微悬臂弯曲 这个弯曲运动由STM或用光学方法检测出来 像STM一样 令试样作X Y向扫描 在扫描过程中 试样Z向的高度变化由压电陶瓷进行跟踪 控制上述这种排斥力的恒定 带有针尖的微悬臂将对应针尖与样品表面原子之间作用力的等位面在垂直于样品的表面方向起伏运动 于是压电陶瓷z向位移即是试样表面起伏的量度 从而获得样品表面形貌的信息