原子力显微镜探针耦合变形下的微观扫描力研究

原子力显微镜(AFM)的微探针系统是典型的微机械构件，它在接触扫描过程处于耦合变形状态.采用数值模拟方法探究恒力模式下探针耦合变形对微观扫描力信号、微观形貌信号的影响.研究表明，AFM的恒力模式扫描中，法向扫描力并不是恒定大小，与轴向扫描力存在耦合作用，在粗糙峰峰值增加阶段，二力均增加；在粗糙峰峰值减小阶段，二力均减小；该耦合作用随形貌坡度、针尖长度等增加而加强.微观形貌的测试信号和横向扫描侧向力信号受探针耦合变形影响较小，但侧向力与形貌斜率密切相关，且其极值点与形貌极值点存在位置偏差，这些结果均与原子力 关键词： 原子力显微镜 探针悬臂梁 耦合变形 扫描力     

微探针纳米尺度振动测试的实验研究

微探针是扫描探针显微镜(SPM)的重要组成部件,其共振频率等振动特性直接影响系统的性能。给出了系统微探针共振频率的测试方法,对微探针在压电陶瓷驱动力作用下的受迫振动进行了有限元分析。提出了相位变化0.1°所对应的0.1nm位移分辨率的双频激光外差干涉光学测量系统,对微探针纳米尺度振动特性进行了测试对比实验,并对SPM标定样块进行了比对分析。实验结果验证了双频激光外差干涉测量方法的可行性和其应用价值。     

迈克耳孙干涉仪用于SFM/SNOM实验

以迈克耳孙干涉仪作为基本操作平台建立了扫描力显微镜/扫描近场光学显微镜(SFM/SNOM)实验系统.该系统可以用于扫描力显微镜和近场光学显微镜的原理性实验,有助于学生深入了解扫描探针显微镜的基本结构和工作原理.     

AFM制作纳米光栅技术研究

在扫描探针纳米加工技术的基础上,提出了利用原子力显微镜(AFM)来制作高频光栅的新工艺。利用AFM硅制探针,在接触模式下对光盘(聚碳酸酯材料)进行刻划试验。对刻划光栅的工艺参数进行优化,得到了纳米量级光栅。并将刻划所得光栅应用于数字云纹法,与数字参考栅干涉形成微/纳米数字云纹。实验结果表明,该法所制得的光栅可以应用于实际变形的测量。     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

X射线干涉仪实现扫描控针显微镜样板线间距纳米测量

X射线干涉仪以非常稳定的单晶硅晶格作为长度单位,可以实现亚纳米精度的微位移测量。提出了将X射线干涉仪和扫描隧道显微镜结合起来,利用单晶硅的晶格尺度测量扫描探针显微镜样板节距的技术方案,并进行了实验研究。     

X射线干涉仪实现扫描探针显微镜样板线间距纳米测量

X射线干涉仪以非常稳定的单晶硅晶格作为长度单位 ,可以实现亚纳米精度的微位移测量。提出了将 X射线干涉仪和扫描隧道显微镜结合起来 ,利用单晶硅的晶格尺度测量扫描探针显微镜样板节距的技术方案 ,并进行了实验研究     

室温超高真空环境原子尺度Au/Si(111)-(7×7)不定域吸附的局域接触势能差测量技术

利用自制超高真空非接触调频开尔文探针力显微镜系统地研究了Au/Si(111)-(7×7)的结构和局域接触势能差.?虽然扫描隧道显微镜已被广泛应用于原子尺度金属吸附半导体表面的研究,?但仅局限在观测金属和半导体表面.?开尔文探针力显微镜允许在原子尺度利用局域接触势能差直接测量各类平整表面不同位置的电荷,?而成为更方便、更...     

1997年度物理学成果精粹(Ⅲ)

５　纳米技术５１　纳米管用于微观探测［４３］瑞斯（Ｒｉｃｅ）大学的斯玛勒（ＲＳｍａｌｌｅｙ）小组将单个碳纳米管粘合到隧道扫描显微镜和扫描力显微镜（ｓｃａｎｎｉｎｇｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏ－ｓｃｏｐｅｓ）的探针上．纳米管长约几个微米，但宽只有５—２０ｎｍ．这些长长、窈窕的探针可以再生，十分便宜；可以导电，用于探测粗糙的地方，甚至沟槽底部．不像标准的金字塔形探针，纳米管探针勘查表面时不易受损．当它和表面接触时只发生弯曲，当撤回时，立即弹性恢复原来准直形状．５２　纳米技术中的计数［４４］德国慕尼黑的…     

Feedback cooling of a cantilever's fundamental mode below 5 mK

We cool the fundamental mechanical mode of an ultrasoft silicon cantilever from a base temperature of 2.2 K down to 2.9+/-0.3 mK using active optomechanical feedback. The lowest observed mode temperature is consistent with limits determined by the properties of the cantilever and by the measurement noise. For high feedback gain, the driven cantilever motion is found to suppress or "squash" the optical interferometer intensity noise below the shot noise level.     

光纤Fizeau干涉仪的声发射检测研究

验证了一种基于光纤Fizeau干涉仪的声发射传感器,可用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器到达探测器时,干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换,测得了超声信号的振幅和频率.对传感系统的相位调制特性进行了仿真,并对实验结果进行了分析.     

Mutual spatiotemporal coherence of optical fields in an amplitude-splitting interferometer

We have considered cross correlations of wave perturbations formed by optical fields at different points of space at the exit of an interferometer with the splitting of the amplitude of the initial wave field. Expressions for the longitudinal spatiotemporal cross-correlation function of perturbations on the optical axis of a Michelson interferometer have been obtained and analyzed. We have determined spatial and temporal intervals in which the wave fields excite mutually coherent perturbations in the exit channel of the interferometer in the free space and in the image space of the lens system. We have found that, in the free space, mutually correlated perturbations arise simultaneously in identical longitudinal intervals, whereas, in the image space, they arise at different times in spatial and temporal intervals varying along the optical axis of the lens. The influence of cross correlations of the wave fields on the interferometer signal has been analyzed.

     

高灵敏度的量子迈克耳孙干涉仪

迈克耳孙干涉仪不仅可以用来研究物理学的基本问题,而且能够用于精密测量,比如引力波信号的测量.因此,构建高灵敏度的迈克耳孙干涉仪是实现微弱信号测量的关键.目前,人们利用压缩态可以降低迈克耳孙干涉仪的噪声;通过光学四波混频过程能够放大马赫·曾德尔干涉仪中的相位信号,从而提高干涉仪的信噪比和灵敏度.本文研究了一种用于高灵敏度相位测量的量子迈克耳孙干涉仪.在迈克耳孙干涉仪中,利用非简并光学参量放大器取代干涉仪中的线性光学分束器;并且将压缩态注入干涉仪的真空通道,可以得到高信噪比和高灵敏度的干涉仪.由于存在不可避免的光学损耗,分析了迈克耳孙干涉仪内部和外部的损耗对相位测量灵敏度的影响.通过理论计算研究了干涉仪的相位测量灵敏度随系统参数的变化关系,得到了高灵敏度的相位测量量子迈克耳孙干涉仪的实现条件,为用于精密测量的干涉仪的设计提供了直接参考.     

环形光纤声发射传感器的相位调制特性研究

提出了一种基于光纤Sagnac干涉仪的环形传感器,用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器的两个臂到达探测器时,干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换,测得了超声信号的振幅和频率.而且对传感系统的位相调制特性进行了仿真,并对实验结果进行了分析,结果表明该系统可用于固体表面传播的超声波频率特征的识别.     

光和原子关联与量子计量

物理量的测量与单位标准的统一推动了计量学的发展.量子力学的建立,激光技术的发明以及原子与分子物理学的发展,在原理与技术上进一步刷新了计量学的研究内涵,特别是激光干涉与原子频标技术的发展,引起了计量学革命性的飞跃.基于激光干涉的引力波测量、激光陀螺仪,基于原子干涉的原子钟、原子陀螺仪等精密测量技术相继诞生,一个以量子物理为基础,探索与开拓物理量精密测量方法与技术的新的科学分支——量子计量学(Quantum Metrology)已然兴起.干涉是计量学中最常用的相位测量方法.量子干涉技术,其相位测量精度能够突破标准量子极限的限制,是量子计量学与量子测量技术的核心研究内容.本文重点介绍近几年我们在量子干涉方面所取得的新开拓与新发展,主要内容包括基于原子系综中四波混频过程的SU(1,1)型光量子关联干涉仪和基于原子系综中拉曼散射过程的光-原子混合干涉仪.     

Quantum-optical predictions for an experiment on the de Broglie waves detection

An experimental apparatus to detect de Broglie waves is discussed. The wave packets of two photons generated in the parametric-down conversion are overlapped in a modified Mach-Zehnder interferometer. The coincidence photodetection rate of photon pairs is evaluated, as a function of path-length of two interferometer arms, both by using the de Broglie concept of a real quantum wave and by the quantum optical approach. The different results of these two theories are compared, and it is shown that the proposed experiment can disprove either the theories.     

马赫曾德尔单频干涉仪非线性误差分析

 研究了马赫曾德尔单频干涉仪对可调谐激光器进行频率监测时非理想1/4波片和偏振分光镜引入的非线性误差。借助琼斯矩阵对干涉仪建模,理论推导了系统误差公式。理论分析和数值仿真发现：系统的非线性误差为一次谐波误差和二次谐波误差的线性叠加;系统中2个偏振分光镜倾斜角度的非对称主要导致一次谐波误差;波片倾斜角度误差、偏振分光镜倾斜角度误差以及波片相位延迟误差主要导致二次谐波误差,总二次谐波误差近似表现为此3类误差源独立产生的误差的线性叠加;当偏振分光镜消偏比较大时,其产生的误差可忽略。     

A compact ESPI system for displacement measurements of specular reflecting or optical rough surfaces

A stable and compact speckle interferometer for doing out-of-plane displacement measurements on reflective as well as diffusely scattering object surfaces is demonstrated. The set-up is based on a nearly path length compensated interferometer of the Fizeau type and uses diffuse illumination of the object combined with a speckled reference wave. This combination eliminates the need for special optical components, and the interferometer can be built of commonly available components. The diffuse illumination wave is obtained by scattering coherent light from a diffusely scattering surface. The speckled reference wave is established by reflecting a part of the diffuse illumination wave from a glass plate placed in front of the object. Besides relaxing the alignment tolerances of the set-up, the diffuse illumination eliminates the need for any preparation of the surface under test, which turns the system into a candidate for testing micro mechanical systems. When using the interferometer for measurements of the eye, the risk of focusing the laser beam on the retina is decreased due to the diffuse object illumination.     

Optical transfer functions of Kerr nonlinear cavities and interferometers

We present the optical transfer functions for third-order nonlinear cavities that involve an optical carrier frequency and its modulation sideband fields. Our approach is based on linearized transformations and provides a convenient tool to calculate squeezed light sources as well as complex interferometer topologies, containing subsystems that involve intensity dependent phase shifts, i.e., optical Kerr media. As the result we present the noise spectral density of a Michelson interferometer with Kerr nonlinear arm cavities and resonant sideband extraction and find that quantum noise can be squeezed by arbitrary amounts even outside the cavity linewidth. Such a system might apply for future gravitational wave detectors or simply for a continuous wave source of squeezed states.