Главная » Просмотр файлов » Принципы нанометрологии

Принципы нанометрологии (1027623), страница 19

Файл №1027623 Принципы нанометрологии (Раздаточные материалы от преподавателя) 19 страницаПринципы нанометрологии (1027623) страница 192017-12-21СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

Michelson’s determination of thecadmium lamp wavelength related to the metre standard was a breakthroughto a metre definition based on physical constants. The orange-red line of the86Kr spectral lamp was used as the metre definition from 1963 until 1983.This definition was possible as, with some effort, interference over a metrelength difference was possible and a length up to one metre could bemeasured using interferometry.Table 4.2The quality factor and coherence length of some light sourcesLight sourceBulbHg lampCd lamp86Kr lampHe-Ne laser (multiple mode)He-Ne laser (single mode)Q1.818003.1 1051.4 1068 104108DL/m60.8 101 1030.20.80.0560l0/nmColour525546644565633633whitegreenredorange-redredred6364C H A P T ER 4 : Length traceability using interferometry4.4 Interferometer designsFor precision measurements, many interferometer types are used.

It isimportant that for almost all types of interferometer the principles outlinedin section 4.3 are valid.4.4.1 The Michelson and Twyman-Green interferometerWhere Michelson was a major pioneer in interferometry and carried outexperiments that achieved major breakthroughs in physics, one often refersto a Michelson interferometer where in fact a Twyman-Green interferometeris intended. The original Michelson interferometer does not operate withcollimated light, but with a point source, S, as shown in Figure 4.7.A beam-splitter, A, with a 50 % coating splits the input beam. Theinterference fringes are detected from B.

The compensator, C, is a glass platewith the same thickness as A which makes the optical path length throughglass equal for both beams. This ensures that chromatic effects in glass plate,A, are compensated and white light interferometry is possible.Optically, the system as viewed from B consists of two sources, M1 and M2,behind each other. If the two image planes, M1 and M2, are parallel, this isequivalent to sources in line behind each other and one detects circular fringes.If M1 and M2 intersect, the crossover is the position of zero path differenceand, as this region is a straight line of intersection, white light fringes willappear on the straight line of the intersection. The fringes appear to belocalised at the front mirror, M1, i.e. the detector must be focused on thisFIGURE 4.7 Schema of the original Michelson interferometer.Interferometer designssurface in order to obtain the sharpest fringes.

With increasing displacementthe fringes become spherical because of the divergent light source.4.4.1.1 The Twyman-Green modificationIn the Twyman-Green modification to the Michelson interferometer, thesource is replaced by a point source, S, at the focus of a well-corrected concavelens (see Figure 4.8). The lens B collects the emerging light and the detectorobserves the interference pattern at the focal plane, D.Consider the case where the mirror and its image are parallel. Now thecollimated point source leads to a field of uniform intensity. Variations of thisinterferometer are the Köster gauge block interferometer [8], displacementmeasuring interferometers (see section 5.2) and the Linnik- and Mirau-typeinterference microscopes (see section 6.7.3.2).An important characteristic of the Twyman-Green interferometer is thatthe paths in both beams can be made equal so that white light interferenceoccurs.

A disadvantage is that both beams have a macroscopic path lengthand can be sensitive to turbulence and vibration. The reflectivity of bothmirrors can be up to 100 %. If the reflectivity of the mirrors is different, thevisibility decreases, as is illustrated in Figure 4.4. In the interferogram, thedifference between the two mirrors is observed. For example, if both mirrorsare slightly convex, and one mirror is slightly tilted, the interferogram willconsist of straight lines (the same as with perfectly flat mirrors).FIGURE 4.8 Schema of a Twyman-Green interferometer.6566C H A P T ER 4 : Length traceability using interferometry4.4.2 The Fizeau interferometerIn Fizeau interferometry, the reference surface and the surface to bemeasured are brought close together.

Compared to Figure 4.3, mirror M1 istransparent and partially reflecting, and the partial reflecting side is positioned close and almost parallel to mirror M2. This gives a configuration asshown in Figure 4.9.For a wedge angle, a, and perfectly flat mirrors, the intensity of theinterference pattern between the mirrors is given bypffiffiffiffiffiffiffiffi(4.9)IðxÞ ¼ I1 þ I2 þ 2 I1 I2 cos 2kðDL þ xaÞwhere x is the position of the interference pattern from the left edge of themirrors. In two dimensions, with circular mirrors, this gives a characteristicinterference pattern consisting of straight lines (see Figure 4.10).The Fizeau interferometer gives a direct way of observing geometricalfeatures in an interferogram.

If the distance DL is increased, the fringes willmove from left to right (or right to left). If the tilt angle is changed, thedistance between the fringes changes. If either of the mirrors is not flat, this isobserved as distortions in the straightness of the fringes.If the interference term in equation (4.9) can be changed in somecontrolled manner, the phase f ¼ 2kDL can be determined by makingFIGURE 4.9 The Fizeau interferometer.Interferometer designsFIGURE 4.10 Typical interference pattern of a flat surface in a Fizeau interferometer.intensity measurements in one location (x, y). The phase can be changed bya small displacement, DL, or by a wavelength change.

If DL is changed in foursteps of l /8 each, and the intensities are labelled as IA, IB, IC and ID, then itcan be shown thatIB ID4ðx; yÞ ¼ arctan:(4.10)IA ICThis is an example of deriving the phase, and DL, by phase stepping. Thiscan only give an estimate of DL within an unknown integer number, N, ofhalf wavelengths.Considered over the surface, the distance between the surfaces S1 and S2can be expressed as!4S2 ðx; yÞ 4S1 ðx; yÞlDLðx; yÞ ¼:(4.11)Nþ2p2If the upper surface deviations of both S1 and S2 are to be consideredpositive in the glass–air interface direction then, apart from a constant termand a constant tilt, the deviations can be expressed asS2 ðx; yÞ ¼ 42 ðx; yÞl=4p and S1 ðx; yÞ ¼ 41 ðx; yÞl=4p(4.12)In S1 the coordinates can be (x, y) or (x, y), depending on the definitionand the (flipping) orientation of the (optical) surface. However, in a Michelson interferometer for S1 the equivalent of S2 holds.If S1 is perfectly flat, or has a known flatness deviation, the form of the othersurface can be derived, either by visually observing the interference pattern or byanalysing the phase using equation (4.11).

This method of surface interferometry is a research field of its own and is covered in several textbooks (see [9,10]).6768C H A P T ER 4 : Length traceability using interferometryBecause the lateral resolution is usually limited, this is form rather than surfacetexture measurement. Uncertainties can be in the nanometre region in thedirection perpendicular to the surface. Limitations are in the roughness and themaximum angle that can be measured.

For engineered surfaces this method isapplicable for polished, and precision turned, lapped and ground surfaces. Forsuch surfaces, Fizeau interferometry is a very powerful tool to obtain very rapidlythe complete geometry of the surface.Some characteristics of Fizeau interferometers should be mentioned, alsoin comparison to Michelson set-ups:-white light interference is not possible; one always needs a light sourcewith a coherence length of a few millimetres or more;-the reference mirror must be partially transmitting, and the back side ofthis reference mirror should not interfere with its front side. This can beachieved by, for example, an anti-reflection coating or by a wedge;-if mirror S2 has a reflectivity of around 100 %, it is difficult to achievegood visibility, as the reference mirror must be transmitting;-the ambiguity of N can be a problem if it varies over the surface ina complicated way (i.e.

the fringe pattern is complex and/or noisy). Thedetermination of the proper variation in N over the surface can becomplicated; this process is called phase unwrapping;-as mirror S1 is held upside-down, the interferometer measures the sumof the surface deviations of both surfaces. This enables an absoluteflatness calibration when a third flat is used. However, because of thecoordinate flipping the measurement in all three combinations must becombined with additional rotations of one of the flats [11]. Ina Michelson set-up an absolute calibration is not possible;-instead of flats, spheres can be measured and, with somemodifications, even parabolas can be measured.

This is outside thescope of this book (but see [12]).4.4.3 The Jamin and Mach-Zehnder interferometersThe Jamin interferometer is depicted in Figure 4.11. The beams are split in Aand recombine at D. A first important application of the Jamin interferometer was the measurement of the refractive index of gases (T1 and T2represent gas cells in Figure 4.11). The Jamin arrangement can also be usedto make an image interfere with itself, but slightly displaced, for example bytilting one mirror relative to the other. This is called shearing interferometry.Interferometer designsFIGURE 4.11 Schema of a Jamin interferometer.A modification of the Jamin arrangement is known as the Mach-Zehnderinterferometer and is depicted in Figure 4.12.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
7,74 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов учебной работы

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6376
Авторов
на СтудИзбе
309
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее