光放大法及其應用修改版

1、課題總結(jié)：王晨，王繼寅，徐煜超1.引言引言 光放大方法作為測量微小位移的方法, 在歷史和現(xiàn)代的測量儀器中得到了廣泛的應用,如歷史上有名的卡文迪許驗證萬有引力的實驗, 現(xiàn)代以掃描隧道顯微鏡為代表的掃描探針顯微技術。 在大學物理實驗中, 光放大方法是學生需要掌握的基本測微方法之一, 如在拉伸法測楊氏彈性模量實驗、光點式靈敏電流計以及固體線膨脹系數(shù)等測量實驗中多處用到。然而作為 一種基本測微技術, 許多學生并沒有予以充分重視。希望通過這一次的展示讓大家更進一步去感受一下光放大法的應用2.光放大方法在大學物理中的應用圖 1 微小線位移測量圖 2 微小角位移測量3.歷史上最有名的使用光放大方法的實驗 卡

2、文迪許萬有引力實驗 卡文迪許在1750年開始進行兩物體之間萬有引力作用的實驗室測定。在實驗中他將1根細長桿的兩端各安1個小鉛球, 做成啞鈴狀的物體, 再用1根石英絲把“啞鈴”從中間橫吊起來, 同時用2個大一些的鉛球分別移近2個小鉛球。根據(jù)萬有引力,“啞鈴”一定會在引力作用下發(fā)生移動, 同時石英絲也會隨之扭動。根據(jù)實驗測出石英絲扭轉(zhuǎn)的角度, 可算出引力。 然而, 石英絲的扭動角度非常微小, 不可能直接觀測。在1798年他終于發(fā)明了一種放大扭動的方法。他將1面小鏡子固定在石英絲上, 用1束光照射, 光線被小鏡子反射在1根刻度尺上, 石英絲的微小扭動, 反射光在刻度尺上都會明顯地顯現(xiàn)出來?？ㄎ牡显S利

3、用這套被他稱之為“扭秤”的裝置首次在實驗室中驗證了萬有引力定律。他在實驗中所使用的放大方法即為微小角位移的光放大方法。4.現(xiàn)代最新的使用光放大方法的實驗儀器 掃描探針顯微鏡 掃描探針顯微鏡是指 80 年代后期出現(xiàn)的用于從原子尺度到微米尺度研究材料表面性質(zhì)的一類儀器。掃描探針顯微技術家族中含有至少不下20種的各類顯微儀器。掃描探針顯微鏡如圖3所示。圖 3 掃描探針顯微鏡的一般原理圖 在掃描探針顯微技術中, 探針與樣品表面非常接近時（mm量級），由于探針針尖與樣品表面間力的相互作用而引起微懸臂的彎曲形變, 形變的大小實際上包含有樣品表面測試點的信息。若在保持探針橫高的條件下, 讓探針在樣品表面掃描

4、, 同時記錄在不同測試點上微懸臂的形變大小, 據(jù)此提取出樣品表面性質(zhì)的信息。其中最重要的過程是從微懸臂探針和樣品表面的相互作用過程中提取出有關樣品表面的形貌和諸如表面粘性、彈性、微摩擦等性能的信息。 對大多數(shù)測力型的掃描探針顯微鏡來講 (如原子力顯微鏡、摩檫力顯微鏡等) , 用于監(jiān)測微懸臂探針和樣品表面相互作用的方法為光放大方法, 即光杠桿原理, 如圖 4 所示。圖 4 光束反射法探測位移原理圖 在圖 4 中, 激光器發(fā)出的光束打在微懸臂的前端背面上, 并經(jīng)前端背面的反射到達位敏光學探測器上。當懸臂彎曲時, 反射激光束打在位敏光學探測器上的位置發(fā)生移動, 位敏光學探測器本身能夠分辨最小為1nm 的光斑位移。由于懸臂和探測器間路程與懸臂本身的長度 (100 200m )之比產(chǎn)生光學放大作用 (光杠桿) 。結(jié)果, 此系統(tǒng)能夠測量到懸臂探針在垂直方向上的10- 2 nm量級的位置變化。通過這種方式可以在掃描狀 態(tài)下