光电信息技术实验报告

华中科技大学实验课程学生实验报告实验课程名称光电信息技术实验专业班级光电1107班学生姓名李悌泽学号u201115116课程负责人陈晶田、黄鹰2目录实验一阿贝原理实验...........................................................3实验二激光平面干涉仪实验...............................................7实验三用原子力显微镜（AFM）进行纳米表面形貌分析10实验四光电直读光谱仪实验.............................................14实验五光谱法物质成分分析实验......................................20实验六光电透过率实验.....................................................24实验七摄像机原理与视频图像叠加实验..........................29实验八、光谱透过率实验.....................................................33实验九红外报警器的设计与调试........................................423实验一阿贝原理实验一、实验目的1.熟悉阿贝原理在光学测长仪器中的应用。二、实验原理1.阿贝比较原则：此为万能工具显微镜的结构图，其特点是标准件与被测件轴线不在一条线上，而处于平行状况。产生的阿贝误差如下：4只有当导轨存在不直度误差，且标准件与被测件轴线不重合才产生阿贝误差。阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。在违反阿贝原则时，测量长度为l的工件引起的阿贝误差是总阿贝误差的l/L。为避免产生阿贝误差，在测量长度时，标准件轴线应安置在被测件轴线的延长线上。2.阿贝测长仪阿贝测长仪中，标准件轴线与被测件轴线为串联型式，无阿贝误差，为二阶误差。5三、实验内容1.用万能工具显微镜进行测长实验测量1角，5角硬币及圆形薄片的直径，用数字式计量光栅读数，每个对象测量10次，求算术平均值和均方根值。实验步骤：瞄准被测物体一端，在读数装置上读数，再瞄准物体另一端，在读书装置上再读一个数据，两次读数之差即为物体长度。2.阿贝测长仪进行长度测量实验采用传统目视法读数，实验步骤同上。四、实验数据与分析1.万能工具显微镜数据结果2.阿贝测长仪数据结果对比采用两种仪器测定的结果。得出以下结论：（1）对于同一测量对象，万能工具显微镜和阿贝测长仪对物体尺寸测量的结果6较为接近。因而可以初步判定1角硬币的直径为（18.9500+18.894）/2=18.922mm。5角硬币的直径为（20.259+20.4110）/2=20.335mm。圆形薄片的直径为（37.402+37.3678）/2=37.385mm。（2）比较两种仪器对同一测量对象的测量结果的数据方差，对于1角硬币和圆形薄片阿贝测长仪的数据方差较小，对于5角硬币，两者测量结果的方差值差别不大，阿贝测长仪对物体尺寸的测量相对较精确。7实验二激光平面干涉仪实验一、实验目的1．掌握激光平面干涉仪的使用方法。2．理解双光束等厚干涉的基本原理。3．观察干涉条纹，并掌握材料平面度的测量方法。二、实验原理1.平面干涉仪的基本原理：8平面干涉仪基于双光束等厚干涉原理进行精密观测。如上图所示，S为扩展光源，位于准直透镜L1的前焦面上，发出的光束经透镜L1准直后射向玻璃片M,再从玻璃片反射垂直投射到楔形平板G上。入射光束在楔形平板上表面的反射光由原路返回，透过玻璃片M后射向观察显微镜L2；在楔形平板下表面反射的光透过平板上表面和玻璃片反射向L2。按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平板内部的BB’位置。若平板不是太厚，且平板两表面的楔角不是太大时，定域面非常接近于平板下表面，这样如调节显微镜L2对准平板下表面，就可以在显微镜像平面上观察到楔形平板的等厚条纹。9平面干涉仪结构如上图所示。由组合星点G1发出的单色光经棱镜G2后，投向主镜表面折射为平行光后，射向主镜下表面及被测光学平面，主镜下表面和被测光学平面发射回来的光叠加相干，镜棱镜G2的反射，进入接收件。星点可由激光管G5、棱镜G6、光源强度调节发散镜G7组成。接收件可以由人眼G10，成像物镜G15和测微目镜G11成像。三、实验内容玻璃材料的平面度测量：（1）测量局部误差δ1=△N*λ/2=Hλ/2e（2）测量整个面形误差δ2=N*λ/2四、实验步骤（1）移开成像物镜G15和测微目镜G11，旋转调整左、右螺旋8，使平板绕水平面的横轴或纵轴微小摆动，出瞳S2绕S1转动直到S2和S1接近重合。（2）装上成像物镜和测微目镜，继续旋转调整左、右螺旋8，直到测微目镜视场中干涉条纹清晰。（3）测量e和H，并计算δ1和δ2。五、实验结果与分析取四组不同位置记录测微目镜位置读数，获得三组弯曲程度H和条纹间隔e的测量结果：组别H（mm）e（mm）10.4850.75520.4940.72830.4830.719平均0.4870.734则，δ1=△N*λ/2=Hλ/2e=0.487mm*632.8nm/(2*0.734mm)=209.9nm10实验三用原子力显微镜（AFM）进行纳米表面形貌分析一、实验目的1.理解AFM的基本原理，掌握AFM的操作流程。2.掌握使用AFM进行微小尺寸的表面分析的基本实验方法。二、实验原理1.AFM背景简介：1986年，G.Binning与C.F.Quate等人在STM的基础上发明了原子力显微镜AFM，AFM克服了扫描隧道显微镜STM对样品导电性的要求，亦达到原子级分辨率。2.AFM工作原理：如下图所示，对微弱力敏感的悬臂梁一端固定，另一端有探针，针尖表面与样品轻轻接触。由于探针尖端原子与样品表面原子间存在极其微弱的排斥力（10e-8N~10e-6N），使悬臂梁产生形变，利用光学检测法或隧道电流检测法可以测出形变大小，从而得到排斥力大小。通过反馈控制悬臂梁或者样品上下运动使得扫描时针尖与样品表面排斥力恒定，则扫描运动轨迹反映了样品表面形貌和特性。与STM相比，AFM有两个关键技术：一是AFM力传感器的制备，二是力传感器悬臂梁形变的检测。下图是利用光学检测法进行形变检测的方案：11三、AFM操作流程样品清洗→开机→水平调节和偏差调节→手动下针→自动下针→关机（1）样品清洗：一般情况下，根据材料的不同进行不同的处理方式。目的都是为了去除表面的污染物，使表面洁净。对于半导体材料，根据材料的不同采取以不同的腐蚀液进行洗片。一般步骤为：a用去离子水做初步清洗；b放入腐蚀液中浸泡并用超声波清洗一段时间（时间视材料不同自定）；c用去离子水洗掉材料表面残留腐蚀液；d用氮气进行吹干；e吹干后放入干净样片袋中暂时保存并准备测试；（2）开机a开启设备电脑开关及双屏显示器；b开启显微镜光源；c开启光学显微镜CRT显示器电源；d将设备主部隔尘罩小心地取下，将显微镜调整至设备主机方向，光斑打到载物台中心处；e打开设备主机电源，在主机controller的控制板上，确认AFM模式；f打开pc中的软件，激活软件与设备主机连接图标；（3）水平调节和偏差调节：12水平调节：•a水平调节完后拧松探针固定旋钮，倾斜着取下AFM针夹具，•倒置轻放在滤纸上，放于衣袖碰触不到的地方，以免碰伤悬臂；•b放样品，样片粘于专用样品台片上，用镊子夹好样片轻推到样•品台上（注意：样品台片与底座是磁铁，有一定吸引力，要小心•放置）；•c放好样片后，调节显微镜，观察CRT使显微镜聚焦到样片表面。•d用镊子直接调整样品位置，在CRT上观察确定样品测试点位于下•针位置附近；偏差设定a放置AFM测试夹具，一定要小心，注意观察悬臂与样品表面的距离，若相距太近，则将测试夹具小心取出，放置妥当后，使用手动抬针方法将三个支柱抬高，同时保证三支柱设备光路台面水平；b高度调节到安全距离以后，小心地放入AFM针测试夹具，用肉眼结合CRT上观察确定样品与针的保持一段距离，调节显微镜使其聚焦到探针；c拧紧夹具固定旋钮来固定夹具，此时主机显示屏上，标定激光器电压的SUM值为（6.7～7.3)左右则正常。先调节垂直偏差旋钮使垂直偏差（Vert）读数接近0.0V，再调节水平偏差旋钮使探测器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V。若第一次不能保证同时为0，则重复调节保证两个值在0.0V附近。（4）手动下针a开始手动下针，先轻扒微调钮进行DOWN操作，同时顺时针（由下往上看）旋转如上图标注的两旋钮，并且调节显微镜聚焦到探针，如此反复多次调节。注意每操作一次后观察光学显微镜CRT保证探针没有接触样片（观察方法：使显微镜聚焦到探针，若调节显微镜可迅速得到清晰样片的像，表明探针和样片距离很近）；b当样品表面与悬臂焦距接近时，调节使此时的水平偏差值（HORZ）13和垂直偏差值(VERT)分别至0V和（-0.6~~-0.8）。c放好样品后，利用底座旋钮对底座进行调节是探针处于显示器的一个可标定的位置，而后每次下针使探针保持此位置不变，则三轴基本保持同时移动。d当观察到显示器上探针和样品表面快接近时，先聚焦到样品表面。然后DOWN操作微调，调节另外两轴的旋钮，观察显示器上水平偏差和垂直偏差示数，当示数突然出现较大变化时停止下针并回调一点。（一般垂直偏差会先开始变化，慢慢升至2.4左右再突增到9，因此垂直偏差变化到2.0左右可停止下针，一般针与表面距离会在0.5um以内）。（5）自动下针a在软件中设置当前样品需要的扫描范围（scansize)，台阶高度(datescale)，扫描速度(scanrate)等参数；b台阶高度不可超多1μm，扫描速度设置在5μm/s以内为宜；（即scansize×scanrate5）c单击启动软件中自动下针控件，下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趋势是减小的为正常；d若要移动扫描区域，下针完成后，将扫描频率调低（即降低扫描速度），设置X轴与Y轴的offset值（offset范围不得超过70μm），确定扫描位置和范围后，重新开始从上往下或从下往上扫描，并拍取图象。（6）关机•关闭激光器；•关闭设备主控电源；•关闭光学显微镜CRT电源、光源；•将光学显微镜置于原本所在方向，盖上物镜盖；•将主机隔尘罩小心的罩于主机上；关闭计算机电源及双屏显示器电源。14实验四光电直读光谱仪实验一、实验目的1.掌握光栅式光谱仪分光原理。2.熟悉光电直读光谱仪光电系统和机械结构。3.掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。二、实验原理1.平面衍射光栅的分光原理如上图所示，当一束平行的复合光入射到光栅上，光栅能够将它按波长在空间分解为光谱，这是由于多缝衍射和干涉的结果。光栅产生的光谱，其谱线的位置是由多缝衍射图样中的主极大条件决定的。相邻两刻线对应的光线22’和11’的光程差为：△=d（sini+（-）sinθ）入射光与衍射光在光栅法线同侧取+，异测取-。相干光束干涉极大条件：△=mλ15即，光栅方程：d（sini+（-）sinθ）=mλ其中，d为刻线间距，也就是光栅常数；i为入射角；θ为衍射角；m为光谱级次。2.光栅式单色仪光学系统切尔尼-特纳系统光栅中心位于入射光线与出射光线的对称轴上，两个球面反射镜的焦距均为300mm，入射与出射狭缝位于球面镜的焦面。平面反光镜作为折射光镜将出射光线折转90度，以使出缝与入缝垂直分布，可以避免因为光源与光电接收器距离过近而相互干扰。复色光源经入射狭缝照明在球面镜上，此镜将平行光投射到光栅上，光栅将复色光衍射分光，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面镜上，此镜将接收的平行光束聚焦在出缝处，从而得到一系列按波长排列的光谱。透过出缝射出的光束只是光谱宽度很窄的一束单色光。扫描机构运行时，光栅随之旋转，这样就可以得到所选择的单色光。光路中的光阑和挡光板起到限制视场外多余光束的16作用，以利于减小仪器的杂散光。3.CCD作探测器的光电直读光谱仪