Наноінтерферометр бурачека

Реферат: Запропонований пристрій належить до області вимірювальних нанотехнологій. Наноінтерферометр, містить монохроматичні джерела світла, світлоділильні блоки, фотоприймальні блоки, дзеркало, що контролюється, електронні блоки обробки інформації та електроживлення, оптичний клин з малим кутом клиноподібності із дзеркалом на його торцевій площині, з механізмом переміщення клина та датчиком його початкового положення. Сформовані два оптико-електронні канали: нанометричний канал з фотометром визначення положення мінімумів при інтерференції променів прямого та відбитого від дзеркала торця оптичного клина та мікрометричний канал відліку числа світлових хвиль відповідно до переміщення оптичного клина при інтерференції променів - опорного та відбитого від дзеркала торця оптичного клина. Перший вихід блока управління та обробки інформації (БУОІ) електрично зв'язаний з монохроматичним джерелом світла наноінтерферометричного каналу (МДСН), блоком індикації, блоком запису і збереження інформації, датчиком початкового положення клина (ДППК), механізмом переміщення клина (МПК); що електромеханічно зв'язаний з конструкцією блока оптичного клина (ОК). Технічним результатом є підвищення UA 104829 C2 (12) UA 104829 C2 точності вимірювання положення об'єкта, що контролюється, у межах довжини світлової хвилі з точністю не гірше 1 нм. UA 104829 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонований пристрій належить до області вимірювальних нанотехнологій. Відомі інтерферометри з високою точністю вимірювань, наприклад інтерферометри ФабріПеро, Фізо, Кюстера [1]. До недоліків цих пристроїв можна віднести відсутність чіткої мікрометричної шкали, поділки якої були б близькі до величини нанометра, а також візуальну оцінку відліку. Відомі також пристрої, в яких інтерферометричну картину отримують за рахунок введення в світловий потік дискретних оптичних елементів з відомим значенням товщини, наприклад, як в інтерферометрі Вяйсяля [2]. Недоліком цього пристрою є відносно невисока точність вимірювань, яка є недостатньою для нанометрії. Як аналог, прийнятий за прототип, можна прийняти інтерферометр Фізо [1]. Задачею винаходу є вирішення задачі манометричного вимірювання величини переміщення об'єкта. Поставлена задача вирішується за рахунок створення наноінтерферометра, який містить монохроматичні джерела світла, світлоділильні блоки, фотоприймальні блоки, дзеркало, що контролюється, електронні блоки обробки інформації та електроживлення, який відрізняється тим, що містить оптичний клин з малим кутом клиноподібності, із дзеркалом на його торцевій площині, з механізмом переміщення клина та датчиком його початкового положення, на основі чого сформовані два оптико-електронні канали: нанометричний канал з фотометром визначення положення мінімумів при інтерференції променів - прямого та відбитого від дзеркала торця оптичного клина та мікрометричний канал відліку числа світлових хвиль відповідно до переміщення оптичного клина при інтерференції променів - опорного та відбитого від дзеркала торця оптичного клина, при цьому перший вихід блока управління та обробки інформації (БУОІ) електрично зв'язаний з входом монохроматичного джерела світла наноінтерферометричного каналу (МДСН), другий вихід БУОІ електрично зв'язаний з входом блока індикації, третій вихід БУОІ - з входом блока запису і збереження інформації, четвертий вихід БУОІ - із входом датчика початкового положення клина (ДППК), п'ятий вихід БУОІ -з входом механізму переміщення клина (МПК); шостий вихід БУОІ зв'язаний із входом монохроматичного джерела світла мікроінтерферометричного каналу (МДСМ); вихід ДППК електрично зв'язаний з першим входом БУОІ, перший вихід МПК електрично зв'язаний з другим входом БУОІ, другий вихід МПК електромеханічно зв'язаний з конструкцією блока оптичного клина (ОК); вихід фотоприймального блока наноінтерферометричного каналу електрично зв'язаний з третім входом БУОІ; вихід фотоприймального блока мікроінтерферометричного каналу електрично зв'язаний з четвертим входом БУОІ. Технічним результатом є підвищення точності вимірювання величини переміщення об'єкта, що характеризується середньоквадратичною похибкою ±1 нм і краще. На кресленні показана схема наноінтерферометра, що ілюструє реалізацію запропонованого способу нановимірювань, з основними оптичними та електронними блоками. 1 - монохроматичне джерело світла наноінтерферометричного каналу (МДСН); 2 - оптичний клин-пластина з малим кутом клиновидності (ОК); 3 - напівпрозора плоскопаралельна пластина; 4 - дзеркало, що контролюється; 5, 6 - дзеркала; 7 - дзеркало на торцевій площині клина 2; 8 - датчик початкового положення (нуля) клина 2 (ДППК); 9 - механізм переміщення клина 2 (МПК); 10 - фотоприймальний блок нанометричного каналу з фотометром; 11 - монохроматичне джерело світла мікроінтерферометричного каналу (МДСМ); 12 - напівпрозора плоскопаралельна пластина; 13 - опорне дзеркало мікрометричного каналу; 14 - фотоприймальний блок мікрометричного каналу; 15 - блок управління та обробки інформації (БУОІ); 16 - блок індикації; 17 - блок запису і збереження інформації. Всі оптичні блоки і фотоприймачі розміщені на єдиній високостабільній основі (фундаменті), при цьому елементи 1, 3, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, встановлені на горизонтальній площині зі склоподібного матеріалу (наприклад, скло, ситал тощо) та надійно закріплені на ній одним із найбільш стабільних і точних методів (наприклад, глибокого оптичного контакту та ін.). Оптичний клин 2 встановлений на точних напрямних і пов'язаний з механізмом 9 механічно, а з датчиком нульового положення пластини 8 - електронно-оптично. Наноінтерферометр містить 1 UA 104829 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 також блок електроживлення (на схемі цей блок не показаний). Дзеркало 4 розміщено на об'єкті, що контролюється. Наноінтерферометр працює таким чином. За допомогою блока 15 включають джерела світла 1 та 11, датчик 8, механізм 9, блоки 10, 14, 16, 17. Датчик 8 забезпечує контроль початкової установки блока 2 механізмом 9 та передає сигнал нульового відліку в блок 15. Світловий потік з блока 1 падає на пластину 2, проходить її, проходить через пластину 3, падає на дзеркало 4, відбивається від нього, проходить в зворотному напрямку і падає на пластину 3, потім, частково відбившись від неї, засвічує мішень фотоприймача 10. Частина світлового потоку від блока 1, частково відбивається від пластини 3 і направляється через дзеркала 5 і 6 на дзеркало 7 торця пластини 2 перпендикулярно до площини цього дзеркала, відбивається від дзеркала 7 і, відбиваючись від дзеркал 5 і 6, повертається в зворотному напрямку на пластину 3, частково проходить пластину 3 і засвічує мішень блока 10. В результаті на блок 10 потрапляють дві світлові хвилі: відбита від контрольного дзеркала 4 та відбита від дзеркала 7 пластини 2, при цьому переміщення пластини 2 перпендикулярно до осі світлового променя блока 1 викликає зміну різниці ходу цих променів і різниці фаз світлових хвиль. Одночасно світловий потік з блока 11 падає на пластинку 12, відбивається від торцевого дзеркала 7 в зворотному напрямку та після часткового відбиття від пластинки 12 засвічує фотоприймальний блок 14. Частина світлового потоку джерела 11 відбивається від пластинки 12 в напрямку опорного дзеркала 13 та, відбившись від нього в зворотному напрямку, частково проходить пластинку 12 і також засвічує фотоприймальний блок 14. У підсумку на мішень блока 14 також, як і в блок 10, падає дві світлові хвилі: відбита від дзеркала 7 і дзеркала 13, що при переміщенні пластини З створює різницю фаз цих хвиль  на мішені блока 14. Таким чином, у вимірюванні приймають участь два інтерферометричні канали: перший можна назвати "наноінтерферометром" (НІ), а інший - «мікроінтерферометром" (МІ). При наявності різниці фаз H в каналі наноінтерферометра матиме місце різниця фаз M в каналі мікроінтерферометра, при цьому H та M пов'язані між собою залежністю: M  K  H , де K - коефіцієнт редукції, що визначається кутом клиновидності пластини 2 у проекції на горизонтальну площину M M " , K   H H n  " де H - зміна довжини світлового променя в пластині 2 при її переміщенні; M - зміна довжини світлового променя в каналі МІ; α - кут клиновидності пластини 2; n - показник заломлення скла. Для   120" та n  148 K  206265 "  1161,402 , тобто зміна довжини ходу променя в НІ на , 1 48  120 " , 1 нм відповідатиме зміні ходу променя в МІ на 1161 нм. При цьому, щоби довжина ходу променя в НІ змінилась на довжину хвилі  , необхідно перемістити блок 2 на 1161  . Блок 2 переміщують на величину  1161   N та отримують в каналі НІ N мінімумів, одночасно фіксують в каналі МІ відліки положення мінімумів зі зчитування хвиль  , що пройшли. В процесі вимірювань виконують калібрування оптичної довжини світлового променя для виправлення похибки, викликаної остаточної не площинністю поверхні пластини 2. Калібрування полягає в порівнянні кількості світлових хвиль, що пройшли в блоці 14 між мінімумами для n-ої кількості хвиль манометричного каналу, зафіксованих на мішені блока 10. Методика нановимірювань включає в себе: 1) за допомогою механізму 9 переміщують блок 2 по осі, перпендикулярній до напряму зондуючого променя канала НІ, від початкового положення на величину, більшу KN , при цьому в блоці 10 (канал НІ) фіксують моменти мінімумів, передаючи сигнали в блок 15, а в блоці 14 (канал МІ) в ці моменти за сигналами блока 15 знімають відліки - кількість  , що пройшли від 2 UA 104829 C2 початкового відліку до кожного мінімуму. Суму відліків N  ділять на число мінімумів та 1 N  5 10 15 20 25 30 35 40 отримують середнє позначення інтервалу між мінімумами A cp  1 ; N 2) виконують переміщення активного інструмента (супорта) з жорстко пристикованим до нього контрольним дзеркалом 4 на заданий мінімальний крок; 3) знову виконують виміри положення мінімумів в каналі НІ шляхом зчитування в каналі МІ так, як описано в п. 1; 4) обчислюють різність інтервалів між середніми мінімумами для другого та першого вимірювання A cp  A cp2  A cpi , та величини нанопереміщення A cp . xHI  K Таким чином, запропонований пристрій дозволяє виконати вимірювання положення об'єкта, що контролюється, у межах довжини світлової хвилі з точністю не гірше 1 нм. Джерела інформації: 1. Борн Μ. Основы оптики / Μ. Борн, Э. Вольф. - Μ.: Наука, 1970. - 856 с. (с. 321-322, 335, 359-372). 2. Костецька Я.М. Геодезичні прилади. Частина II. Електронні геодезичні прилади / Костецька Я.М. - Львів: ІЗМН, 2000. - 324 с. (с. 52, 53). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Наноінтерферометр, який містить монохроматичні джерела світла, світлоділильні блоки, фотоприймальні блоки, дзеркало, що контролюється, електронні блоки обробки інформації та електроживлення, який відрізняється тим, що містить оптичний клин з малим кутом клиноподібності, із дзеркалом на його торцевій площині, з механізмом переміщення клина та датчиком його початкового положення, на основі чого сформовані два оптико-електронні канали: нанометричний канал з фотометром з можливістю визначення положення мінімумів при інтерференції променів прямого та відбитого від дзеркала торця оптичного клина та мікрометричний канал відліку числа світлових хвиль відповідно до переміщення оптичного клина при інтерференції променів опорного та відбитого від дзеркала торця оптичного клина, при цьому перший вихід блока управління та обробки інформації (БУОІ) електрично зв'язаний з входом монохроматичного джерела світла наноінтерферометричного каналу (МДСН), другий вихід БУОІ електрично зв'язаний з входом блока індикації, третій вихід БУОІ - з входом блока запису і збереження інформації, четвертий вихід БУОІ - із входом датчика початкового положення клина (ДППК), п'ятий вихід БУОІ - з входом механізму переміщення клина (МПК); шостий вихід БУОІ зв'язаний із входом монохроматичного джерела світла мікроінтерферометричного каналу (МДСМ); вихід ДППК електрично зв'язаний з першим входом БУОІ, перший вихід МПК електрично зв'язаний з другим входом БУОІ, другий вихід МПК електромеханічно зв'язаний з конструкцією блока оптичного клина (ОК); вихід фотоприймального блока наноінтерферометричного каналу електрично зв'язаний з третім входом БУОІ; вихід фотоприймального блока мікроінтерферометричного каналу електрично зв'язаний з четвертим входом БУОІ. 3 UA 104829 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4