光电信息技术实验

光电信息实验（二）学生姓名：代中雄专业班级：光电1001学生学号：U201013351指导老师：黄鹰&陈晶田实验一阿贝原则实验一、实验目的1.熟悉阿贝原则在光学测长仪中的应用。二、基本原理1.阿贝比较原则万能工具显微镜结构及实物图所示。万能工具显微镜的标准件轴线与被测件轴线不在一条直线上，而处于平行状况。产生的阿贝误差如下：1=tana35=(13215)aa一阶误差，即阿贝误差2．结论1）只有当导轨存在不直度误差，且标准件与被测件轴线不重合才产生阿贝误差（一阶误差）。2）阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。3）在违反阿贝原则时，测量长度为的工件所引起的阿贝误差是总阿贝误差的L。4）为了避免产生阿贝误差，在测量长度时，标准件轴线应安置在被测件轴线的延长线上（阿贝原则）。5）满足阿贝原则的系统，结构庞大。3.阿贝测长仪阿贝测长仪中，标准件轴线与被测件轴线为串联形式，无阿贝误差，为二阶误差，计算形式如下：22=C三、实验内容1.万能工具显微镜进行测长实验1）仪器：万能工具显微镜，精度：1微米。用1元、5角、1角的硬币，分别测它们的直径，用数字式计量光栅读数及传统的目视法读数法。每个对象测8次，求算数平均值和均方根值。2）实验步骤：瞄准被测物体一端，在读数装置上读一数；瞄准被测物体另一端，在读数装置上再度一数（精度1微米）；两次读数之差即为物体长度。3）实验结果：次数12345678均值结果/mm11.45311.45111.45611.45811.46411.43811.44511.450数据处理：由8次测量结果可以算出硬币的平均直径，算数平均值：111.45311.45111.45611.45811.46411.43811.44511.450811.452Dmm求均方根值：22222222111.45311.45111.45611.45811.46411.43811.44511.450811.452mm实验小结通过本次实验，学习了阿贝原理以及产生阿贝误差的原因，并且具体运用其测量了光学仪器实际物品，从而熟悉阿贝原则在测长仪器中的应用，也明白了串联式测量仪的有点。实验二激光平面干涉仪实验一、基本原理仪器：PG15-J4型激光平面干涉仪1台内容：玻璃材料的平面度测量精度：100nm激光平面仪原理图仪器结构平面干涉仪基于双光束等厚干涉原理进行精密观测。如图3.1所示，图中s是扩展光源，位于准直透镜L1的前焦面上，发出的光束经透镜L1准直后射向玻璃片M，再从玻璃片反射垂直投射到楔形平板G上。入射光束在楔形平板下表面的反射光透过平板上表面和玻璃片反射向L2.按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平板内部的BB’的位置。如果平板不是太厚，且平板两表面的楔角不是太大时，定域面非常接近平板下表面，这样如调节显微镜L2对准平板下表面，就可在显微镜像平面E上观察到楔形平板产生的等厚条纹。平面干涉仪结构如图3.2所示。由组合星点G1发出的单色光经棱镜G2后，投向主镜表面折射为平行光后，射向主镜下表面（A面）及被测光学表面，A面和被测光学平面反射回来的光重叠相干后，经棱镜G2反射，进入接收件。星点可由激光管G5、棱镜G6、光源强度调节发散镜G7组成。接收件可以由人眼G10，成像物镜G15和测微目镜G11，或由分光棱镜G12、可动小孔G13和摄像头G14组成的摄像。二、实验内容：1.玻璃材料的平面度测量。1）测量局部误差1=N=2e2HeN=H2）测量整个面形误差（用N）2=2NN——光圈数N——不足一个光圈数平面度测量2.实验步骤：参考图3.1和3.2，1）移开成像物镜G15和测微目镜G11，旋转调整左右螺旋8，使平板绕水平面的横轴或纵轴微小摆动，出瞳S2绕S1转动直到S2和S1接近重合。2）装上成像物镜G15和测微目镜G11，继续旋转调整左右螺旋8，直到G11视场中干涉条纹清楚。3）测量e和H，计算平面度和粗糙度。实验数据起始位置（格数）He对准位置（格）距离（mm）对准位置（格）距离（mm）80.5116.00.356135.00.5453.540.00.36554.50.51091.5124.00.325141.50.50010.042.00.32058.00.48069.099.00.300114.00.450数据处理：123451234550.5450.5100.5000.4800.45050.49750.3560.3650.3250.3200.30050.33320.33320.6720.497eeeeeemmhhhhhhmmHN局部误差：10.670.5650217.752Nnm面形误差：20.56503252NNN实验小结通过本次实验，熟悉了激光干涉仪的基本原理机器结构，掌握了利用其测量面形误差的方法。实验三原子力显微镜一、实验目的了解AFM的基本使用方法二、实验流程1.样品清洗2.开机3.水平调节和偏差调节4.手动下针5.自动下针6.关机1.样品清洗一般情况下，根据材料的不同进行不同的处理方式。目的都是为了去除表面的污染物，使表面洁净。对于半导体材料，根据材料的不同采取以不同的腐蚀液进行洗片。一般步骤为：1.用去离子水做初步清洗；2.放入腐蚀液中浸泡并用超声波清洗一段时间（时间视材料不同自定）；3.用去离子水洗掉材料表面残留腐蚀液；4.用N2进行吹干；5.吹干后放入干净样片袋中暂时保存并准备测试；工作原理如下图所示：探针形貌1.开机1.开启设备电脑开关及双屏显示器；2.开启显微镜光源；3.开启光学显微镜CRT显示器电源；4.将设备主部隔尘罩小心地取下，将显微镜调整至设备主机方向，光斑打到载物台中心处；5.打开设备主机电源，在主机controller的控制板上，确认AFM模式；6.打开pc中的软件，激活软件与设备主机连接图标；1.1.水平调节•水平调节完后拧松探针固定旋钮，倾斜着取下AFM针夹具，倒置轻放在滤纸上，放于衣袖碰触不到的地方，以免碰伤悬臂；•放样品，样片粘于专用样品台片上，用镊子夹好样片轻推到样品台上（注意：样品台片与底座是磁铁，有一定吸引力，要小心放置）；•放好样片后，调节显微镜，观察CRT使显微镜聚焦到样片表面。•用镊子直接调整样品位置，在CRT上观察确定样品测试点位于下针位置附近；•3.2偏差设定••1.放置AFM测试夹具，一定要小心，注意观察悬臂与样品表面的距离，若相距太近，则将测试夹具小心取出，放置妥当后，使用手动抬针方法将三个支柱抬高，同时保证三支柱设备光路台面水平；•2.高度调节到安全距离以后，小心地放入AFM针测试夹具，用肉眼结合CRT上观察确定样品与针的保持一段距离，调节显微镜使其聚焦到探针；•3.拧紧夹具固定旋钮来固定夹具，此时主机显示屏上，标定激光器电压的SUM值为（6.7～7.3)左右则正常。先调节垂直偏差旋钮使垂直偏差（Vert）读数接近0.0V，再调节水平偏差旋钮使探测器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V。若第一次不能保证同时为0，则重复调节保证两个值在0.0V附近；•4.手动下针••开始手动下针，先轻扒微调钮进行DOWN操作，同时顺时针（由下往上看）旋转如上图标注的两旋钮，并且调节显微镜聚焦到探针，如此反复多次调节。注意每操作一次后观察光学显微镜CRT保证探针没有接触样片（观察方法：使显微镜聚焦到探针，若调节显微镜可迅速得到清晰样片的像，表明探针和样片距离很近）；•当样品表面与悬臂焦距接近时，调节使此时的水平偏差值（HORZ）和垂直偏差值(VERT)分别至0V和（-0.6~~-0.8）•5.软件自动下针扫描在软件中设置当前样品需要的扫描范围（scansize)，台阶高度(datescale)，扫描速度(scanrate)等参数；•台阶高度不可超多1μm，扫描速度设置在5μm/s以内为宜；（即scansize×scanrate5）•单击启动软件中自动下针控件，下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；•若要移动扫描区域，下针完成后，将扫描频率调低（即降低扫描速度），设置X轴与Y轴的offset值（offset范围不得超过70μm），确定扫描位置和范围后，重新开始从上往下或从下往上扫描，并拍取图象。•测试5*5um的形貌•1.设置scansize5um(1:1),•设置scanrate0.1Hz,•设置Datescale100nm(观察样品表面形貌觉得，粗糙则设大点）•2.点击下针•设置scanrate0.3Hz,点击•再设置scanrate0.5Hz，观察波形范围在调节最佳的Datescale•3.最大设置scanrate0.7Hz，•点击进行切换到扫描界面，•点击由上到下进行扫描，•点击进行实时保存，•扫完后点击抬针。6.关机•关闭激光器；•关闭设备主控电源；•关闭光学显微镜CRT电源、光源；•将光学显微镜置于原本所在方向，盖上物镜盖；•将主机隔尘罩小心的罩于主机上；•关闭计算机电源及双屏显示器电源。实验四光电直读光谱仪实验一、实验目的1.掌握光栅式光谱仪分光的基本原理。2.熟悉光电直读光谱仪光电系统和机械结构。3.掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。二、基本原理1.平面衍射光栅的分光原理光栅方程式如图5.1所示，当一束平行的复合光入射到光栅上，光栅能将它按波长在空间分解为光谱，这是由于多缝衍射和干涉的结果。光栅产生的光谱，其谱线的位置是由多缝衍射图样中的主极大条件决定的。相邻两刻线对应的光线22’和光线11’的光程差为：sinsinid（1）相干光束干涉极大值的条件为：2m22m（2）入射与出射光在光栅法线同侧取”+”号，在异侧取”-”号。由式（1）和（2）可得相邻两光线干涉极大值的条件------光栅方程为：sinsindim（3）式中i-----入射角-----衍射角d-----刻痕间距，通常称为光栅常数m------光谱级次，0,1,2,m（3）式可改写为：arcsinsinmid（4）2.光栅式单色仪光学系统切尔尼-特纳系统光学系统原理图光栅中心位于入射光线与出射光线的对称轴上，两个球面反射镜的焦距均为300mm，入射与出射狭缝位于球面镜的焦面。平面反光镜作为折光镜将出射光线折转90°，以使出缝与入缝90°的垂直分布，可以避免因为光源与光电接收器距离过劲=近而互相干扰。复色光源经入射狭缝照明在球面镜（一）上，此镜将平行光投射到光栅上，光栅将复色光衍射分光，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面镜（二）上，此镜将接收的平行光束聚焦在出缝处，从而得到一系列按波长排列的光谱。透过出缝射出的光束只是光谱宽度很窄的一束单色光。扫描机构运行时，光栅随之旋转，这样就可以得到所选择的单色光。光路中的光阑和挡光板起限制视场外多余光束的作用，以利于减少仪器的杂散光。3.CCD作探测器的光电直读光谱仪如图所示光谱仪结构图2.入射狭缝及调焦筒2.平面反射镜3.光栅旋转手轮4.波长计数器5.球面反射镜（一）6.球面反射镜（二）7.CCD探测器8.调焦螺母9调焦筒紧固螺钉线10.滤光片（CB550）主要参数及技术指标波段范围：330-----1100nm焦距：180mm平面光栅：300线/mm；闪耀波长:500nm600线/mm；闪耀波长:500nm1200线/mm；闪耀波长:500nm相对孔径：D/f=1/3.8三、实验内容1.分析光栅式光电直读光谱仪基本光学系统，绘制光路图和机构图，记录基本参数。2.了解编VC++采集软件，及计算机界面设计。3.用CCD探测器的光电直读光谱仪进行光源光谱采集。4.用光电池做探测器的光电直读光谱仪进行光源采集。四、实验步骤进行汞灯光谱实验开启汞灯高压电源，调整聚焦透镜使光源像聚焦到调整光谱仪输入狭缝，调整狭缝大小