本文關鍵詞：基于Fabry-Perot干涉與原子晶格間距的微位移計量及溯源研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微位移通常是指位移范圍僅為至幾毫米甚至幾微米,而測量準確度則達到納米亞納米級。微位移測量方法很多,這些測量方法的準確性檢驗需要高精度的計量和溯源。隨著納米技術的發(fā)展,越來越多的高精度位移傳感器需要計量,這對微位移計量技術提出了更高要求,目前位移計量主要采用邁克爾遜式激光干涉法,由于此類激光干涉法通常具有至少幾個納米的非線性誤差,其測量精度難再提高。本論文針對當前納米位移傳感器校準和納米測量儀器的微位移參量校準這兩類典型的微位移計量需求,分別從溯源途徑和計量方法方面進行了研究。首先,研究和設計了測量范圍較大、可直接溯源至激光波長且無非線性誤差的拍頻Fabry-Perot激光干涉儀,并采用數(shù)字化鎖相放大、程控式激光頻率調(diào)諧和納米定位等技術,使之突破了干涉腔自由光譜范圍的限制,使其位移測量范圍擴展至36μm,實驗結(jié)果的測量不確定度優(yōu)于3.5nm(k=2),使之能夠用于納米位移傳感器計量。其次,針對不便于使用激光干涉法進行直接計量的納米級測量儀器的微位移參量,提出采用X射線和原子晶格間距作為幾何量溯源的過程媒介,先實現(xiàn)納米薄膜厚度的高精度計量,然后研制臺階狀納米薄膜厚度片,用于實現(xiàn)納米級測量儀器的微位移參量的量值溯源和量值統(tǒng)一,特別是納米薄膜厚度的不確定度最高達到亞納米級,為我國納米計量標準體系在溯源精度上再獲得跨越式提高。論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點如下:1.由于激光頻率連續(xù)調(diào)諧范圍的限制,拍頻Fabry-Perot激光干涉儀的測量范圍通常僅有幾百納米,所以只能用于干涉儀非線性測量。本論文基于激光測頻、穩(wěn)頻、鎖頻、調(diào)頻、換模等技術,提出了一種技術方法可以快速有效的擴展其測量范圍,并建立了一套測量實驗裝置,實驗證明它能夠應用于納米級準確度的微位移計量。2.建立和實現(xiàn)基于X射線波長和原子晶格間距的長度溯源途徑,并提出一種采用X射線反射法測量納米薄膜厚度的不確定度分析方法,建立了國家納米薄膜厚度計量標準裝置,其不確定度達到:U=0.3nm+1.5%H(k=2),H為厚度。3.研制了臺階狀的納米薄膜厚度標準片,通過它實現(xiàn)了掃描探針顯微鏡、激光共焦顯微鏡、輪廓儀等多種不同測量原理的納米測量儀器的縱向位移的量值溯源和量值統(tǒng)一。
【關鍵詞】：納米計量 微位移測量 Fabry-Perot干涉 薄膜厚度測量 原子力顯微鏡 激光共焦顯微鏡 橢偏儀
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP212;TH744.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-34
• 1.1 引言11-12
• 1.2 長度的量值溯源12-13
• 1.2.1 米定義的變遷12
• 1.2.2 長度量值的復現(xiàn)與溯源12-13
• 1.3 邁克爾遜激光干涉儀測長的發(fā)展13-23
• 1.3.1 邁克爾遜干涉儀13-14
• 1.3.2 單頻激光干涉儀14-15
• 1.3.3 雙頻激光干涉儀15-18
• 1.3.4 合成波長激光干涉儀18-19
• 1.3.5 調(diào)頻測距激光干涉儀19-20
• 1.3.6 激光自混合干涉儀20-21
• 1.3.7 飛秒光梳測距技術21-23
• 1.4 Fabry-Perot激光干涉法微位移計量技術進展23-25
• 1.5 非激光干涉法的微位移測量技術25-29
• 1.5.1 電容傳感器26-27
• 1.5.2 光譜共焦位移傳感器27-28
• 1.5.3 納米光柵尺28-29
• 1.6 納米級測量儀器的微位移參量校準29-32
• 1.6.1 掃描探針顯微鏡29-31
• 1.6.2 激光共焦掃描顯微鏡31-32
• 1.6.3 表面輪廓儀32
• 1.7 論文主要研究內(nèi)容32-34
• 第二章 拍頻Fabry-Perot干涉儀位移測量技術研究34-53
• 2.1 引言34
• 2.2 F-P激光干涉儀的光學原理34-38
• 2.2.1 多光束干涉效應34-37
• 2.2.2 F-P激光干涉儀位移測量原理37-38
• 2.3 拍頻F-P激光干涉儀的原理與裝置38-41
• 2.3.1 拍頻F-P激光干涉位移測量裝置38-40
• 2.3.2 相關的技術問題40
• 2.3.3 拍頻F-P激光干涉儀微位移測量系統(tǒng)設計40-41
• 2.4 關鍵技術研究41-46
• 2.4.1 微位移測量范圍擴展模型42-43
• 2.4.2 光學系統(tǒng)設計43-45
• 2.4.3 頻率的鎖定與測量45-46
• 2.5 空氣折射率的測量與補償46-52
• 2.5.1 關于Edlén公式46-47
• 2.5.2 環(huán)境溫度傳感器的校準與修正47-50
• 2.5.3 環(huán)境氣壓傳感器的校準與修正50-52
• 2.5.4 環(huán)境濕度傳感器的測量52
• 2.5.5 空氣折射率的測量不確定度評定52
• 2.6 本章小結(jié)52-53
• 第三章 拍頻Fabry-Perot干涉儀系統(tǒng)性能與實驗分析53-70
• 3.1 引言53
• 3.2 位移系統(tǒng)的驅(qū)動與定位53-57
• 3.2.1 納米定位技術與實現(xiàn)方法53-54
• 3.2.2 F-P干涉腔的定位控制54-57
• 3.3 系統(tǒng)拍頻的測控過程57-63
• 3.3.1 激光器特性分析57-58
• 3.3.2 拍頻計數(shù)方法58-59
• 3.3.3 頻率跟蹤及掃描59-62
• 3.3.4 調(diào)頻、穩(wěn)頻與換模過程分析62-63
• 3.4 微位移測量實驗分析63-69
• 3.4.1 測量規(guī)范及數(shù)據(jù)處理方法64-65
• 3.4.2 實驗結(jié)果與分析65-66
• 3.4.3 測量結(jié)果的不確定度評定66-69
• 3.5 本章小結(jié)69-70
• 第四章 用于微位移溯源的納米膜厚計量研究70-84
• 4.1 引言70-71
• 4.2 納米薄膜厚度的測量71-78
• 4.2.1 X射線掠射法膜厚計量進展71-72
• 4.2.2 X射線掠射法原理72-73
• 4.2.3 膜厚測量裝置73-74
• 4.2.4 膜厚計算方法74-77
• 4.2.5 膜厚的測量不確定度評定77-78
• 4.3 納米薄膜厚度的量值溯源78-83
• 4.3.1 角度校準與溯源79-81
• 4.3.2 X射線波長的溯源81-83
• 4.4 本章小結(jié)83-84
• 第五章 基于納米臺階膜厚的微位移溯源84-97
• 5.1 引言84
• 5.2 納米薄膜厚度片的研制84-87
• 5.2.1 國內(nèi)外技術進展84-85
• 5.2.2 膜厚標準片的設計和研制85-86
• 5.2.3 膜厚標準片的測量實驗86-87
• 5.3 納米測量儀器縱向位移精度驗證87-91
• 5.3.1 掃描探針顯微鏡縱向位移校準88
• 5.3.2 共焦掃描顯微鏡縱向位移校準88-91
• 5.4 橢偏儀的溯源與校準91-96
• 5.4.1 橢偏儀的光學原理及裝置91-93
• 5.4.2 系統(tǒng)裝置與實驗過程93-94
• 5.4.3 校準結(jié)果分析94-96
• 5.5 本章小結(jié)96-97
• 第六章 總結(jié)與展望97-99
• 6.1 論文總結(jié)97-98
• 6.2 相關工作的前景展望98-99
• 參考文獻99-108
• 發(fā)表論文和科研情況說明108-110
• 致謝110-111

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  本文關鍵詞：基于Fabry-Perot干涉與原子晶格間距的微位移計量及溯源研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：270583