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尼康显微镜,双光束干涉的原理和应用

2013-12-19  发布者:admin 

 在各种形式的干涉,双光束干涉法是特别简单和直接的原则,以及实践,并因此用于广泛的应用范围。该技术将在下面详细地描述的,与主要参照设计用于材料表面的地形测量的应用。

干扰现象在高中物理第一次遇到是,牛顿环,构成在接触点附近观察到的局部同心干涉条纹,当平凸透镜的曲率半径较大放置在平坦的玻璃板。这些干涉环首先研究了艾萨克·牛顿。干扰现象不能仅仅就轻如由沿直线传播,如假定在几何光学射线来解释。继牛顿,英国物理学家托马斯·杨,从波动光学的观点出发,解释了牛顿环的光干涉现象。即,光的波浪运动具有波峰和波谷;如果齿顶时后波谷波峰和波谷叠加,则波将相互增强,而如果波峰都在波谷重叠,则这两个会相互抵消。因此,交替亮和暗的干涉条纹继承会出现。

对应于光波,例如,1波峰和下一个之间的一个周期内的距离,被称为一个波长,并且通常通过表示为λ。牛顿环依次出现的玻璃板上,并通过半波长的透镜表面的增加之间的空气间隙。因此,如果不同波长的入射光被使用时,对应于红色和绿色的,例如,然后连续环之间的间隔将是更广泛的用于红色光比为绿色。

图1(a)示出了形成在其允许凸透镜被夹紧,螺钉的张力下,与平坦的玻璃板接触的装置的牛顿 ​​环。干涉条纹的顺序,从暗盘在图案的中心算,是由表示Ñ(其中Ñ = 0,1,2,...)。当用光学干涉处理,但要注意的是光波的叠加在介质中,通过该光传播(考虑到在光学距离计算干涉)是重要的。如果透镜和玻璃板之间的间隙是在真空中或在空气中,则折射率(Ñ介质)是1。另一方面,如果该间隙被充满水,然后N = 1.333,并且作为结果,穿过该介质时,光的速度降低了。因此,该波长被有效地缩短,并且连续环之间的距离被减少。在相反的方式中,这种关系可以用于测量介质的折射率的物镜。

如果光波的入射角度被表示为Φ和厚度,或玻璃板和透镜之间的距离,由t,则干涉条纹时会出现下面的条件得到满足

Nλ= 2nt×COSΦ

在由图1(a)所示的情况下,入射角等于零,COS Φ = 1(如将始终对于垂直入射的情况下),所以上述关系式变成

Nλ= 2nt,

经过重新排列,

T = N / n×λ/ 2.

因此,在真空中或在空气中,由于n = 1时,就减少到

T = N×λ/ 2,

其中N = 1,2,3,...。(任意正整数)。因此,每个时间间隙的厚度通过改变λ / 2(半个波长)的干涉条纹出现(图1(b))。

再参照图1(a)所示,干涉条纹出现像在装置的顶面间隔对应于半波长的高度差轮廓线。这相当于由牛顿干涉条纹在物体的表面上半个波长的间隔形成的轮廓线。在地图的情况下,海平面构成基准平面,而在干涉条纹的情况下,玻璃板作为参考。在光学干涉测量,该参考平面被称为基准板(或参考反射镜)。或者,这种类型的干涉图案被称为“等厚干涉条纹”。

图1(c)示出干涉条纹的间距和由基准板(基准镜面)和试样的表面形成的空气楔的角度之间的关系。在这种情况下,从上面的讨论中,干涉条纹明显不是圆形的像牛顿环,而是形成为直线。随着角度的增大,干涉条纹之间的间距减小。

红色曲线在图1(d)绘出了牛顿环的图1(a),测量值用显微光度计的干涉条纹的强度分布。在这个例子中,分配显示宽等高线。在一个地形图,更精细的轮廓线间隔,更加细腻,可以表示的细节。类似地,干涉条纹的宽度支配精度在表面的凹凸的干涉测量获得。示出的方法具有这样的标本必须被放置在与基准板(基准镜面)接触的缺点。

联系模型中的应用

图2(a)是天然的金刚石与0.8毫米在长边,用牛顿环的方法,其中上述被示为一个透镜与玻璃板接触检查的显微照片。将试样照射的波长(光λ为546纳米(绿)),通过多层过滤器的装置获得。采用这种简单的方法,半波长(273纳米)的轮廓线,可以可视化的标本。由于水平距离是从放大倍率或尺度立即知道,该表面的倾斜角可以计算出来。此外,还能够得到横截面将显示当钻石被切割成各种方向。因为光准确已知波长的使用,高度可以以极高的精度来测量。此钻石表面的突起是12 λ高,或约6.5微米,且表面的倾斜度测量为大约1度和16分钟。

图2(b)示出了该表面的显微组织,而忽略定量测量。如果在图1(c)所示的楔角为接近零,可以得到这种类型的图像。这么小的楔角,有扩阔的零阶,然后覆盖整个视场的干涉条纹的效果。如果楔角减小到零,晶体和基准板的表面成为平行的。扩大单个干扰以实现高对比度的这种方法是被称为高分散性的方法,并且允许的高度差小至2纳米的可视化。

高分散方法使用一个单一的干涉条纹实际上具有在空气间隙方面的连续强度分布,如图2(c)该事实。对应于无穷小的高度差dt的,在由一个单一的干涉条纹的强度变化的dI,如在图2(c)示出。通过用一个比较大的值,利用该曲线部分的di / dt,可以观察到具有高灵敏度的详细的表面结构。此外,用这种方法,出现在相衬显微镜的那种晕不发生,并且整个表面可以与来自任何方向的高对比度可视化。这种方法的缺点是极度敏感的机械振动和在保持相同的对比度比的长时间因之困难。

上一个(蚀坑111的钻石)面示于图3(a)所示。由氧化剂蚀刻后,高色散条纹是可视化通过双光束干涉。该图像清楚地显示两种类型的腐蚀坑-平底和点见底。平底凹点是非常浅的,具有深度的大约四分之一波长的(137纳米)或更小。与此相反,从干涉条纹的数量计算,最深点底坑是大约三个波长(1.64微米)深。此外,在晶体(在图像的右上角)的周缘的干涉条纹表明,该晶体的边缘已被四舍五入通过溶解的作用。此外,由于坑的边的长度可以测量,凹坑的梯度可以计算出来。最深的坑的倾斜,在该方向上从一个顶点到中心,大约为8度和50分钟。因此,坑的山坡上,为定量确定,实际上是相当温和的比将由临时检查推断。图3(a)示出了其中两个观察和测量可以完成与一个单一的显微照片的例子。

前面的例子已经说明了从晶体生长和溶解由双光束干涉可视化造成表面微观结构。该方法也适用于通过物理破坏产生的断裂面的研究。图3(b)是金刚石生产的巨脉冲激光,与平面的匹配用于比较双方的解理面的双光束干涉显微镜照片。的事实,双方不相同表明某些片段,尽管分钟,分别在晶体中切下丢失。三角形抑郁症中出现在照片的左侧缘的中心,这是在激光束被聚焦透镜的位置。表面上的痕迹表明,光瞬间穿过钻石,并部分反映在对面的墙上,在照片的中心是抑郁症时产生这种反射的发生。此外,它可以判定该骨折的晶体内大约从反射面100微米的点开始。

所谓断口是检查断裂表面通过光或扫描电子显微镜和分析观察到的模式的基础上的断裂机制的做法。在图示的分析,双光束干涉法可以适用于获得关于断裂表面和地形不规则性被称为流状结构的定量信息河流图案

迈克尔逊干涉仪

所有上述干涉图样是由在该样品的表面被放置在几乎与基准盘接触的方法创建。然而,在试样如半导体,其对污染,或者软,容易变形的标本极为敏感的情况下,理想的是形成无接触的干涉图案。其中的一个方法依赖使用时迈克尔逊干涉仪型,其中有几个变种。

迈克尔逊干涉仪的原理,如图4(a)所示,是相当简单的。为设计的基本要素如下。由光源发出的光束被半反射镜(分束器),这些光束被引导到一个平面的参考反射镜和其它到样品表面中的一个分成几乎相等强度的两束光。由这两个光束的反射所产生的光然后由干涉。当从观察孔观察到的,参考反射镜的图像和被检体表面的图像之间发生干扰。因为由试样和参考反射镜反射的光波从由同一光源发出的光束的分束起源,这些波是相互一致的,从而得到一种双光束干涉图案。插入所述分束器和参考反射镜之间的光路中的对象,是相同的组成和厚度与分束器的玻璃板。因为此板的存在,在两个分开的光束在到达观察口通过等效的光学距离(折射指数和光学元件的厚度的乘积)传播后。请注意,在这种类型的干涉仪,分束器和样品表面是由明显的距离分开,因此,非接触的方式,得到的干涉图案。

非接触式干涉测量仪器

的双光束干涉仪的功能通过将原来的相干光分成相等强度的两束光,引导一个光束到参考反射镜和其它到样品,并测量产生的2之间的光程差(在光学距离之差)反射的光波。为了实现这个方法,不同类型的仪器已制定,采用多台设备来分割光波,并提供相应的光路。

沃森干扰物镜,由沃森公司(英国)制造,是迈克尔逊干涉仪的紧凑型变型,设计用于在显微镜安装。(b)该仪器的构造示于图4。在此图中与迈克尔逊原理的示意图(图4(a))进行比较,可以看出,物镜被置于靠近分束器,允许的分钟试样进行测量。

在这个干涉仪,基准反射镜相对于光轴的倾斜相当于使用一个基准板不平行于样品的表面上,因此形成一个空气楔形,如图1(c)所示。参考反射镜的相对的对试样表面的倾斜度越大,则干涉条纹之间的间距较窄。各个干涉条纹的方向是相同的样品表面和参考反射镜的图像的平面的交线的方向。移的参考反射镜的左或右方向具有不同的样品表面和所述反射镜的图像之间的距离的影响。如果这两个表面是平行的,然后由高色散图案形成,并且如果参考镜像平面由半个波长的距离移离试样平面时,干涉条纹的各自顺序由一个改变。通过波长的四分之一移位通过将亮条纹暗条纹,反之亦然反转的格局。

另一个仪器变化是由提供林尼克干涉仪,它采用了高倍率物镜中的干扰的技术,以观察微小的细节中的应用。所采用的原则是迈克尔逊干涉仪。图4(c)所示的基本结构,它包括一个光源,一个准直器,一光束分离棱镜,目镜,均匀的物镜具有完全一致的光学距离,检体的表面,这产生了一个图像和一个参考镜,这就会引起的反射图像。因为均匀的物镜是难以制造,只有少数这类仪器的已上市销售。

Mirau干扰物镜是在由尼康公司生产的仪器使用相对高的放大倍率(10倍,20倍或40倍)的干扰的物镜。该装置的原理,如图5(a)所示,依赖于放置一个反射镜的参考中的物镜的中心,并插在物镜和标本之间的半反射镜。这些元件被布置为使得干涉图案会出现,如果系统被聚焦在样品上。如果试样是倾斜的,局部的干涉条纹就会出现如前面的双光束干涉的描述中解释。特色的设计类,非接触式测量可以用该仪器进行。

图5(b)所示的设计尼康低倍物镜的干扰,一种新型的物镜(TI工具和具有2.5倍的放大倍率和5倍)近日由该公司开发。使用低倍物镜有两个优点。首先,工作距离比较长(11.1毫米为2.5倍物镜和9毫米为5×物镜)。其次,宽视场可以用一个大景深的好处被观察到。这种干扰物镜的突出特点在于,参考反射镜的中心位于所述物镜的光轴上的事实。为了实现这个功能,参考反射镜位于一个半球的平面表面。反射镜的角度由半球后面两个螺钉来调节。立即改变传统的明场观察可以通过在镜子前插入一个遮光件进行。

在使用中,由于基准反射镜的中心与光轴一致时,干涉图案会立即出现在视场的中心。当使用前面提到的沃森干涉仪或Mirau物镜,在可显示的视场的中心的干涉图案通常需要繁琐的操作,这往往会阻碍更广泛地使用干涉。另外,由于本发明的眼镜适合于视场的数目多达20个,实际场的最大直径等于视场的数目除以放大率,直径的样品高达约8毫米(放大倍数为2.5倍),或4公厘(放大倍数为5倍),可干涉测量单个观察。

如果刻度标在参考反射镜,则该比例可以方便地记录在显微照片或数字图像。在沃森干涉仪,专用照明是必需的干扰的物镜,但是这不是必需的尼康TI或Mirau仪器;同一光路中,用于明视场观察和干涉测量。

点干涉的应用程序需要注意

在前面的讨论中,实际的双光束干涉仪的几个例子进行了说明参照传统分类成接触和非接触的方法。然而,实际上在这两种方法之间的干涉条纹的性质并没有本质上的区别,显然低和高传播模式是通过两种方法获得。非接触式方法显然拥有广泛的适用性。在接触的方法,该干涉条纹的顺序从第零增加时,第一和第二等,以单向方式中,由于参考表面和所述试样由楔状空气间隙隔开。另一方面,在非接触的方法,所述参考反射镜的图像和被检体之间的交叉处形成的零级条纹,两侧,其中,一阶,二阶和更高阶条纹出现。这种模式的示于图6(b),这是故意采取未经过滤,使用白色光,因此,条纹的顺序是很容易分辨。0级暗条纹是在中心场,由高阶两侧边缘两侧可见。条纹的订单,如果一个人观察红色条纹(原始彩色图像的黑白版本在这里提出)很容易确认。的红色条纹多达六个命令出现在右侧和高达对零级条纹的左侧红色条纹5订单。

如果该模式被拍到与单色光,干涉图案会与几乎相同的对比度进行显示,但这些条纹的连续性将变得晦涩于在水平突然变化的位点。因此,在任何类型的干涉,这些条纹的连续性应先用白色光,以避免实质性的错误确定。使用具有窄半带宽的高品位干涉滤光器时干涉条纹的命令下单色光识别是特别困难的。

测量的精确度是通过创建更精细的干涉条纹改善。以前,光源,例如低压钠灯被用于此物镜。然而,目前,因为高档干涉滤光器是可用的,卤素灯通常用在这些改进的过滤器的组合。在这种情况下,两点应予注意。首先,不同的是使用的光钠,最大发射波长通常根据所用的特定干涉滤光器而变化到一定程度。因此,能够精确地确定该过滤器的特征波长它是最重要的。其次,过滤器必须被插入在垂直于光轴的,因为即使是轻微的倾角将导致转向更短的波长。

测量高程的差异

用轮廓线垂直的表面的凹凸和地形测量已经讨论过,并在图2和图3所示。在这里,一个例子,其中给出这样的违规行为是使用三个干涉条纹测量。图7示出微分干涉和双光束干涉显微照片(图7(a)和7(b)所示,分别)的剃刀刀片,它允许机械加工表面的粗糙度的测定的边缘。

在这种情况下,参考反射镜和试样之间的关系是在原理上是如图1(c)的类似,其中,所述干涉条纹依次由半波长显示为高度的变化。假设,对应于深度的磨损槽t如图7所示,图7(c)的干涉条纹出现。如果该照片被放大,那么这两个ðL可以被测量。使用这些值,深度t可以从下面的公式计算

t = D / L×λ/ 2。

在图7中所示的干涉条纹的间距是有点窄,这可能使测量困难。在某些试样的研究中,干涉条纹的分散体可以被改变以增强表面特征的可视化。图8(a)至图8(d)示出的螺旋生长磁铅(六方晶铁素体),用六角螺显示一个锯齿形的角度。图8中的分散体(b)是小的,并且在干涉条纹的变化是不是明显的,除了在最厚的步骤,但尽管如此,这些条纹的命令可以枚举。

如果该分散体被增加到图8中的程度(c)所示,则凹凸的薄的特​​性,以及在厚的步骤变得可见。在图像的中心的边缘是特别有趣的。因为该模式是由于螺旋生长,边缘应均匀地在同一方向上移动,但在这里,各个条纹不仅直线而是显示一分钟的横向振动模式。这可以被解释为表示在图8(E)所示的形状的横截面。用虚线表示的水平代表了晶体的生长,连续的电平差即1.2纳米量级的后立即形成的螺旋形的步骤。这是由于晶体进行准二维溶解,导致由图8中的固体灰色区域(e)所示,类似于现在的期间侵蚀后残留在科罗拉多高原的隆起部表示的本剖面图。在本例中,脊60纳米的高度的数量级。当分散体仍进一步增加,如在图8(d)所示,图像变得更适于定性观察比进行测量。步骤以及可视化,虽然只在网站,干涉条纹已展开。另一方面,当该样品是通过亮视野显微镜观察时,只有最厚的步骤被可视化,如所示在图8(a)给出的相衬的显微照片。

有一点要注意测量这些步骤时,是该干涉条纹应进行调整,使它们垂直于要被测量的,这有利于随后的程序中的步骤执行。此外,如果彩色照片不能采取,试样应先用白色光观察,并且干涉条纹的连续性确认,以促进随后的测量。

当使用高分散,单个干涉条纹变得相对较宽,因此步骤可以通过比较边缘本身的宽度进行测量。在这种情况下,亮和暗条纹的宽度变得几乎相等,如图所示,例如,在图8(c)所示。换句话说,在本身的单一宽干涉条纹表示的电平差异λ / 4。在一个单一的干涉条纹的移位是在图8(f)中,在其中的电平差是位于中央。

绝对水平的差异和测量极限

在这两个图2(a)和图3(a)所示,三角形的轮廓线出现,而是从一开始就被解释为表示在其他在一种情况下升高和凹陷。然而,这种区别决不是不言而喻的,并且决定只对在立面图晶体生长的结果,同时蚀刻结果在凹陷的假设的基础上。因此,该显微镜面临着如何感知抑郁和标高之间的绝对差异的问题。如果该电平差异是相当大的,那么这些可以通过调整物镜的聚焦区分开来,但如果电平差异是在观察中使用的光的波长的量级,那么这种无法做到的。一种可能的方法,但是,是使用相位差显微镜的。通过互换正,负相衬,可以逆转出现在步的高侧晕的对比度,从而高和低之间的绝对区分。然而,这可以,实际上,可以通过双光束干涉,即使没有相位差显微镜来完成。用白色光检查的凸形物体的表面,该干涉条纹被排列在从基准板(基准镜面)的向着物体的周围的附近增大的顺序。如参考图6说明(b)所示,条纹的顺序可以从他们的颜色布置确定。相反,在凹对象的情况下,条纹的顺序增加从朝向中心的圆周上。也就是说,它足以进行测量,同时牢记的颜色的干涉条纹的顺序和气隙的大小。

的电平差测量的极限取决于到的干涉条纹(强度峰值的裙子)的宽度可以被定义为限。如果测量下降到条纹的宽度的1/10可以执行,那么测量的极限应该是顺序的λ / ​​10,或大约25纳米。