基于几何光学理论的点光源非定域干涉测角分析

目的:点光源非定域干涉的微小角度测量方法因具有非接触、灵敏度高、精确度高等优势而备受重视。为了解决现有原理分析理论的如下不足:1)在阐述平晶两个表面形成一对虚拟点光源的机理方面比较抽象;2)且难以普遍适用于多面型测量装置。方法:以平晶楔角的测量为例,基于几何光学理论,推导了干涉同心圆环的圆心侧移量与楔角之间的关系式,通过可视化研究了所推导关系式与文献关系式之间的差异。结果:除零点外,相同的圆心侧移量情况下,所推导关系式给出的楔角值会小于文献关系式给出的楔角值,即10 mm圆心偏移量对应的楔角偏差为0.027″,1 mm圆心偏移量对应的楔角偏差为0.003″。结论:基于几何光学理论的分析方法不仅能分析平晶独体元器件楔角测量的原理,而且还能分析多面型变体结构测角原理,既能够定量分析圆心侧移量与楔角之间的关系,又能实现干涉同心圆环的仿真,丰富了点光源非定域干涉测角技术。

具有F-P标准具照明系统的白光干涉仪测量量块的测量不确定度分析

文献[1]F-P标准具用于量块量值的传递与溯源一文(中国测试技术2012年增刊第2期54-58页)介绍具有F-P标准具的白光干涉仪检定量块的光学原理及其结构,以及检定F-P标准具的等倾干涉的原理。而进一步对具有F-P标准具的白光干涉仪检定量块的测量不确定度的分析,则由本文完成。该文首先对F-P标准具的检定及其测量不确定度就行了分析。量块尺寸在白光干涉仪上与标准具作比较测量。为减少标准具的数量,量块尺寸可以与两块或三块标准具组成的尺寸进行比较,也可以是由一块尺寸较小的标准具经过光学倍增法实现与被检量块尺寸相同进行比较。例如80mm的量块用40mm的标准具进行比较,这时在量块上的光路在标准具中多一次反射达到;90mm量块则用30mm标准具进行比较。他们也可以由两块标准具组成的尺寸进行比较。分析时以倍增法测量误差最大,以其进行计算。充分证明具有F-P标准具的白光干涉仪完全满足检定1等量块的要求。通过文献[1]及本文的介绍,映证该技术可以实现普及1等量块的检定及量块的自动化检定,特别适用于量块生产厂00级、K级、0级量块的自动化检定。

基于图像取反的同心圆环半径和圆心提取方法

为了解决非定域干涉同心圆环图像的圆心和半径的精确提取问题,提出了一种基于图像取反的暗亮环兼顾的算法,以点光源非定域干涉同心圆环为对象,在平滑降噪预处理基础上,利用霍夫圆变换获得参考圆心,以参考圆心为基础分别在其x方向和y方向上[-50,50]像素范围内每隔5 pixel取一条强度轮廓线,每一条强度轮廓线取反后,分别实现暗环和亮环峰位坐标的精确识别,再利用圆回归拟合得到系列圆心和半径,通过系列圆心和半径的平均运算实现图像最终圆心和半径的精确提取。结果表明,靠近中心的3个亮环和3个暗环各自的圆心坐标非常接近,相对于总平均值的最大偏差为-3.7 pixel,即相对于总平均值的最大相对偏差为-0.15%,重复性很好;相邻两个圆环半径平方比值相对于实际比值的误差在-4.18%~0.36%之间变化,验证了算法的可行性。该研究对实现自动化检测、提高测量精度是有帮助的。

基于直边衍射的高斯激光驻波场仿真

为了研究原子光刻实验中基片对汇聚激光场的影响,基于标量光学理论,采用数值计算对直边衍射情况下高斯激光驻波场特性进行了仿真。结果表明,高斯激光的直边衍射效应会呈现与平面光波相似的强度振荡现象,两者直边衍射后的第1个强度突变分别为中轴线强度的1.18倍和1.37倍;随着束腰的增大,高斯激光的衍射越接近平面波;中轴线和基片表面距离会影响高斯激光截面进入直边几何阴影之外的大小;直边衍射后入射波和其经过反射镜作用的反射波相遇叠加在光轴方向上会形成稳定的驻波;这种驻波的强度在垂直光轴截面上呈现一定的衍射特性。该研究有利于理解直边衍射时高斯驻波场形成的实质;并可通过适当的激光参量来调整实验激光驻波场结构。

铬原子束沉积纳米光栅结构的3维仿真

为了研究铬原子经过波长为425.55nm 1维高斯激光驻波会聚作用后的沉积情况,采用原子与激光相互作用的原子轨道方法和波动方法两种理论模型进行了3维仿真。结果表明,同一激光功率条件下,两种方法的仿真条纹在激光束方向上都具有相同的周期性,在垂直激光束方向上具有非常相似的延展性,即随着激光功率的增加,原本的一条仿真条纹会逐渐分裂开来,由于原子波动性的影响,波动方法仿真的条纹中还有明显的干涉边峰,这种现象随着激光功率的增加而变得更加明显。这些仿真结果为实验提供了更加丰富的理论指导。

基片衍射时原子速率对激光汇聚铬原子沉积的影响

为了研究基片衍射对激光汇聚原子沉积的影响,基于标量光学衍射理论,采用数值计算对比分析了基片衍射与否两种情况下,铬原子波包几率密度分布(表征了沉积条纹)特征值随原子波包速率的变化。结果表明,当原子波包横向速率保持不变、而纵向最可几速率在考察范围内变化时,基片衍射会使波包几率分布的最大值平均约有14.9%的增加量,而半峰全宽平均约有14.3%的减小量;当原子波包纵向最可几速率保持不变、而横向速率在考察范围内变化时,基片衍射会使波包几率密度分布的最大值平均约有14.5%的增加量,而半峰全宽平均约有16.9%的减小量。该研究成果为实验提供了有益的理论指导。

铬原子束激光感生荧光稳频技术理论分析

在铬原子光刻中可采用铬原子束激光感生荧光(LIF)来实现激光频率的稳定,以满足原子光刻对激光频率稳定性的要求。激光感生荧光稳频技术除有很高的稳频精度以外,还可以获得相对于原子共振频率的一定失谐量。本文根据已有的实验条件和参数从铬原子束的速率分布、激光频率与荧光斑点中心横向位移的关系、二象限光电探测器测得的误差信号等方面对铬原子束激光感生荧光(LIF)稳频技术作了理论分析。

铬原子束1维多普勒激光准直分析

为了研究预准直后铬原子束1维多普勒激光准直效果随着激光功率、激光失谐量和作用区域等各种参量变化的情况,采用适当步长的4阶 Runge-Kutta 算法进行了理论分析,得到了铬原子束1维多普勒激光准直效果与各种激光参量之间的变化关系。结果表明,铬原子束经过离坩埚口600mm、横向尺寸为5mm 狭缝预准直后,在激光功率为20mW、激光失谐量为-0.5Γ(Γ为铬原子的自然线宽)、作用区域为2倍最小作用区域的情况下,可以获得最好的激光准直效果。

3孔预准直后铬原子束横向位置分布仿真

为了研究52Cr原子以外其它同位素对铬原子束横向位置分布的影响,采用蒙特卡罗方法对3孔预准直狭缝条件下的1维激光冷却进行了理论分析。由分析可知,在区分52Cr原子和其它同位素条件下,原子束横向位置分布的基底会有所增加,每一部分原子束的特征值也有明显的变化,中心部分原子束中心最大值有9.5%的降低,半峰全宽有2.9%的增加;两侧每一部分原子束的中心最大值有25%的增加,半峰全宽略有增宽。结果表明,其它同位素的区分与否对中心部分原子束的中心最大值和半峰全宽影响很小。

基于VirtualLab Fusion的TDOCT系统合成光源仿真

基于VirtualLab Fusion构建了时域光学相干层析技术(time domain optical coherence tomography,TDOCT)光路系统,导入不同颗数发光二极管(light emitting diode,LED)的合成光谱,从参考镜的位置变化中获得干涉信号,以此分析出合成光源的半高宽和相干度,以及对应TDOCT的纵向分辨率.结果表明,合成光源的最大强度值随着LED颗数从1到10的增加先增加后趋向不变;而半高宽随之不断增加;TDOCT系统的纵向分辨率随之不断提高.当LED增加至3颗的时候,合成光源已经可以使TDOCT系统纵向分辨率提高至9.8μm,这与一颗超辐射发光二极管(super luminescent light-emitting diode,SLD)给出的分辨率级别相当.

基片表面的倾斜度对光学势阱的影响

为了研究原子光刻实验中基片对汇聚激光场的影响,基于几何光学,采用数值仿真的方法,研究了基片表面的倾斜度对光学势阱的影响。结果表明,当基片表面相对于激光驻波中轴线正倾斜时,基片表面会形成一个无光场区,使光学势阱为0,且在z方向上光学势阱会发生一个零值突变;当基片表面相对于驻波中轴线负倾斜时,基片表面永远存在光场,在z方向上光学势阱不会发生零值突变,且光学势阱相对于z=0会出现对称现象。该研究结果对激光汇聚原子沉积实验具有指导意义。

^(52)Cr原子束激光生荧光稳频技术

通过分析52Cr原子光刻对激光系统的技术要求,详细介绍了一种基于原子束激光感生荧光(LIF)光 谱技术的稳频方法。

VirtualLab Fusion对SNOM光纤探针外部光场分布的仿真

为了研究扫描近场光学显微镜(SNOM)光纤探针的光学特性,采用基于场追迹方法的光学软件Virtual Lab Fusion进行了仿真实验,取得了SNOM光学探针尖端外部光场的分布情况。结果表明,沿z轴方向,不同截面上的光场分布都会呈现小孔衍射的图案,其中心斑点中心强度随着z值的变大而呈近似指数函数衰减,到z=100nm位置处几乎衰减为0;中心斑点轮廓线的半峰全宽随着z值的变大而呈现先不变后增大的趋势,其拐点处于z=20nm位置处,此时对应的中心强度值为7.2V/m^2,这个强度值按指数函数计算正好处于z=0nm位置处强度的e^(-2)。结果清晰显示了SNOM光学探针的光学特性,证实SNOM探针工作时需要与样品表面保持在10nm左右的必要性。

双臂非共程点光源非定域干涉小角度测量方法

为了提高小角度测量的精度,提出了一种双臂非共程点光源非定域干涉小角度测量方法。通过建立小角度测量的理论模型,搭建测角系统,并采用大靶面无镜头小像素的CCD记录干涉同心圆环。其原理为利用暗环和亮环兼顾的多圆环回归拟合系列圆环圆心定位方法实现圆心侧移量的高精度测量,完成与激光干涉小角度测量仪进行比较测量实验。结果显示,所提方法在3 h之内,x方向上的稳定性波动幅度最大为-2.46″,y方向上的稳定性波动幅度最大值为-1.92″;测角重复性在±0.50″内最大偏差为-0.45″,与激光干涉小角度测量仪具有较好的一致性。

铬原子束激光感生荧光强度的理论和实验

采用铬原子束激光感生荧光激光稳频技术解决铬原子光刻实验中激光频率随时间漂移的问题.从理论和实验两个方面对铬原子束激光感生荧光强度随激光功率和坩埚温度的变化情况进行了研究.结果显示,在坩埚温度一定的情况下,由于铬原子的饱和效应,当激光功率增大到6 mW左右时,荧光斑点的中心强度会达到饱和然后随激光功率的增加变化不大.另外,随着激光功率的增加,荧光斑点轮廓曲线的半高宽在变大的同时,对比度减小.在激光功率一定的情况下,由于铬原子喷射的个数与坩埚温度成正比,荧光斑点的中心强度随坩埚温度的增加而增加,并且不出现饱和效应;随着坩埚温度的升高,荧光斑点轮廓曲线的半高宽基本不变,而对比度增大.这些变化趋势和理论结果符合地很好.

VirtualLab Fusion对SNOM光纤探针内部光场分布的仿真

为了深入研究扫描近场光学显微镜(Scanning near-field optical microscope,SNOM)光纤探针导光特性,我们利用VirtualLab Fusion光学软件,仿真研究了光纤探针内部的光场分布.结果显示,光纤探针内部的光场分布呈固定的花样;中轴线光场具有峰值结构,其最大值位于探针出口前120nm处;这个最大峰值随着光纤外层铝层厚度的增加呈现先减小后增加,最后趋于稳定的变化,随着光源偏振态的变化呈现正弦的分布.

一种检测原子束激光准直效果的多狭缝技术

针对激光汇聚铬原子束沉积,提出了一种定性评价原子束横向准直度的多狭缝技术.与其他检测技术相比,它设计简单,使用方便,能够非常直观快捷地定量评价原子束横向准直度.理论模拟的结果显示,在我们实验条件下这种技术给出的铬原子束准直前横向宽度为13.8 mm,半高宽为12 mm,发散角为4.1 mrad,准直后横向宽度为12.2 mm,半高宽为4.8 mm,发散角为1.6 mrad.

哈大绥“金三角”城镇群发展问题研究

随着中国各大城市群规划的颁布,城市群已成为城镇化发展的主体形态。哈长城市群名列九大区域性城市群之首,对推动国土空间均衡开发、引领区域经济发展将起到重要作用。将城镇群作为新型城镇化的主要空间载体和发展单元,结合哈长城镇群发展规划与黑龙江省城镇群区域发展态势和格局,打造由哈尔滨、大庆和绥化市共同构成的哈大绥"金三角"城镇群,并从推动产业协同发展、合理优化行政区划、健全区域协调机制以及大力发展薄弱环节等方面积极推动哈大绥"金三角"有序发展,对于实现哈长城市群核心增长极的目标十分有益。

1维光学粘胶作用下铬原子束空间分布特性

为了研究激光准直场作用下原子束的空间分布状态对纳米光栅沉积制作的影响,基于半经典理论,分析了1维光学粘胶对中性铬原子的作用力特性,利用4阶龙格-库塔数值积分算法对不同激光场强度、不同激光失谐量、不同激光场范围条件下中性铬原子束的空间分布进行了仿真分析。由仿真结果可知,随着激光场强度的增加,原子束的分布向中心区域集中,由于受饱和效应的影响,该种集中的趋势随激光强度的增加而逐渐变缓;同时,当激光失谐量等于原子线宽的一半时,原子束的空间分布最窄。当激光功率为40mW、且失谐量为-2.5MHz时,铬原子束经过1维光学粘胶作用后其空间分布的半峰全宽被压缩为作用前的0.43倍,而原子束密度分布中心值也增大为作用前的1.79倍。结果表明,利用激光准直场的作用可实现原子束空间分布的改善,有利于后续的原子沉积以实现纳米光栅的制作。

激光准直铬原子束研究(英文)

利用多普勒原理对Cr原子束进行横向准直.为了得到好的激光准直效果必须首先把激光的中心频率稳定在偏离Cr原子共振中心频率-5±0.26 MHz的位置上.经过多次的理论与实验得出了优化的实验参量,并且得出如果探测光束与准直光束不平行会造成横向线宽的展宽.根据实验数据选择合适的实验参量,实现利用多普勒原理横向准直Cr原子束,得到准直后Cr原子束的横向发散角为0.48 mrad,横向温度为265μK.