尼康顯微鏡：多光束干涉的原理與應(yīng)用

根據(jù)境靠近的兩個(gè)表面的高反射率，使用透鏡，會(huì)聚光束可能經(jīng)歷了多次的反射表面之間的多光束干涉的技術(shù)。

法布里 - 珀羅干涉儀是利用在一種裝置，其中的兩個(gè)相對(duì)的表面是平行的。如果兩個(gè)平面不平行，則干涉條紋出現(xiàn)局部的楔形空間中。中遇到的楔形空間中的雙光束干涉的情況基本上是相同的。

多波束干擾模式的特點(diǎn)

在多光束干涉，干涉條紋的廣度變得極其狹窄。也就是說(shuō)，“地圖”上的輪廓線變得狹窄和相應(yīng)的表面形貌測(cè)量的精度提高。的最佳條件都滿足時(shí)，可在多波束干涉條紋的寬度是1/50，在兩束法相應(yīng)的廣度的順序，因此，精度提高約50的一個(gè)因素。因?yàn)?，在文章中所討論的雙光束干涉，水平的差異，利用該技術(shù)測(cè)量的極限是約25納米，在多光束干涉測(cè)量的上限值，因此，0.5納米（5埃）的順序。

所示，圖1（a）所示，當(dāng)入射光進(jìn)入楔形空間，多個(gè)反射的相對(duì)表面之間發(fā)生。的光束到達(dá)圖中的點(diǎn) x 包括非反射的光束（1）的兩次反射的光束（2），，四倍反射的光束（3），在各反射，按照強(qiáng)度下降受反射率的表面的反射率，因此在多個(gè)束最終由透鏡收集的光的數(shù)量。多次反射的光束造成的干擾，更細(xì)的和更清晰的邊緣的數(shù)量越多。圖1（b）示出干涉條紋的寬度，其中對(duì)樣品表面和參考板（參考反射鏡）的反射率是相同的情況下的反射率之間的關(guān)系。從圖中可以看出，反射率確定的干涉條紋的廣度。

在圖1（c）所示的雙光束干涉條紋和至90％的反射率相對(duì)應(yīng)的多光束干涉條紋的強(qiáng)度分布之間的比較。的雙光束干涉條紋的形式（COSθ）E2的脊和谷的寬度幾乎是相同的。另一方面，較低的曲線，圖1（c）所示，多光束干涉條紋顯示大幅峰的強(qiáng)度分布的。在雙光束干涉的情況下，連續(xù)的干涉條紋出現(xiàn)定位在每一個(gè)電平變化的半波長(zhǎng)。但是，由于窄條紋，條紋之間的區(qū)域的信息可能是不可用的。

高精度測(cè)量條件

出發(fā)從艾里式的平行平面之間的多重反射，塞繆爾托蘭斯基進(jìn)行了詳細(xì)的分析出現(xiàn)在一個(gè)楔形空間中的多個(gè)干涉條紋的強(qiáng)度分布，并從本研究的結(jié)果推導(dǎo)出的條件下，為獲得最高的測(cè)量精度，總結(jié)了以下五點(diǎn)：

• 涂層表面的膜的高反射率和低吸收的基準(zhǔn)板。

• 涂覆試樣的均勻的膜的高反射率，忠實(shí)地遵循與原試樣的地形。

• 使兩個(gè)表面之間的（噸中：圖1（a））的距離盡可能小，在大多數(shù)10毫米中，優(yōu)選的光的波長(zhǎng)的順序。

• 準(zhǔn)直的入射光束的并行性可在3度的范圍內(nèi)。

• 使入射光密切盡可能垂直基準(zhǔn)板。

最后的兩個(gè)條件是比較容易實(shí)現(xiàn)的前提是前一個(gè)滿意。綜上所述，基準(zhǔn)板的表面和試樣應(yīng)被帶進(jìn)接近，盡可能地減少在圖1（a）中的距離t，和參考反射鏡的表面上應(yīng)涂銀氣相沉積或的多層膜的低吸收。

光學(xué)系統(tǒng)的多光束干涉

多光束干涉的光學(xué)系統(tǒng)的基本功能是允許觀察出現(xiàn)在由兩個(gè)表面形成的楔形空間的干涉圖案。的反射所產(chǎn)生的干涉條紋，可以在兩種可能的方式，用顯微鏡進(jìn)行觀察。圖2示出了用于測(cè)量的膜的厚度，等適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，利用一個(gè)低功率的物鏡。因?yàn)榈凸牡哪繕?biāo)的工作距離是比較長(zhǎng)的，半反射鏡的目標(biāo)和試樣之間可以插入。此外，低功耗目標(biāo)擁有一個(gè)大景深的優(yōu)勢(shì)，它允許在很寬的視野觀察。

雖然低功率透鏡具有一定的好處，的高倍率物鏡試樣分鐘的地形和起伏特征的測(cè)量是必要的。有了這樣的目標(biāo)，因?yàn)楣ぷ骶嚯x被減少到小于1毫米，圖3中所示的光學(xué)系統(tǒng)的不同，必須采用。這是一個(gè)普通的反射鏡的光學(xué)系統(tǒng)中。它是理想的后側(cè)焦點(diǎn)的光點(diǎn)的目標(biāo)收斂，從而使光束的方向垂直于試件表面。市售的物鏡還算適合于這一目的。

原用于光譜類型低壓汞燈作為光源，這種干涉系統(tǒng)。使用這種類型的燈，尖銳的譜線可以以下方式獲得，附加地，可以使用的顏色的頻譜安排的干涉條紋來(lái)識(shí)別順序。這些燈的缺點(diǎn)是低的照度。

然而，近日，明亮的鹵素?zé)艚Y(jié)合干擾濾波器已經(jīng)進(jìn)入一般使用干涉。消色差物鏡，綠（546納米）的單色光是最昂貴的照明類型，并提供了優(yōu)異的成績(jī)。

試樣制備

試樣充分的準(zhǔn)備是必不可少的，以獲得最高的精度在多光束干涉。因?yàn)橐獪y(cè)量的原子尺寸的水平差異，從表面上除去污物必須。因此，表面應(yīng)徹底清洗，但機(jī)械強(qiáng)度弱的情況下，表面上是，或標(biāo)本是化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。同樣的要求適用于清洗的參考平。商業(yè)銷售的多光束干涉套標(biāo)本（清洗這些板塊可能會(huì)侵蝕涂料的反射率相匹配的各種反射率的多層光學(xué)平面提供了一個(gè)選擇，因此需要格外小心）。的試樣的反射率相匹配的單位允許使用多光束干涉條紋的形成，但是，正如圖1（b）中所示，邊緣的銳度取決于試樣的反射率和基準(zhǔn)板。因此，賦予高反射率的兩個(gè)表面是最有效的裝置，確保形成一個(gè)獨(dú)特的圖案。

尤其是小標(biāo)本后應(yīng)清洗首先被安裝在玻片上與加拿大香脂或其他安裝介質(zhì)。化學(xué)和機(jī)械耐用材料，如玻璃，石英，應(yīng)清洗通過(guò)以下步驟：

• 合適的表面活性劑（例如，不同的洗滌劑，用于廚具）上涂抹少量脫脂棉一疊，并劇烈洗滌，從試樣中除去污垢。超聲波清洗也是適合用于此目的。然而，油脂不容易去除沒(méi)有擦洗。

 

• 弄濕的脫脂棉一疊與過(guò)氧化氫和清潔中相同的方式，在上述步驟中所描述的。

 

• 清潔的試樣中相同的方式，用蒸餾水。

 

• 徹底干脫脂棉擦拭表面，直到霧瞬間消失后，表面上的呼吸。

 

通過(guò)真空沉積具有低反射率的試樣應(yīng)被涂覆的材料如鋁，銀或金。銀是特別容易申請(qǐng)，而且是高反射率。

的真空沉積銀膜具有的厚度為50-100納米的是適當(dāng)?shù)摹?/span>涂層應(yīng)進(jìn)行快速氣相沉積，以在20至30秒內(nèi)完成。為了做到這一點(diǎn)，被放置足量的銀的汽相淀積中的船，試樣和船之間的快門。后銀熾熱的白色時(shí)，快門打開(kāi)，然后關(guān)閉，控制涂層的厚度通過(guò)改變快門打開(kāi)的時(shí)間，提供一個(gè)簡(jiǎn)單的方法。在此設(shè)置中，試樣和船之間的距離應(yīng)至少為20至30厘米。

如果沉積銀膜的厚度大約是50-100納米，那么這部電影將出現(xiàn)青紫觀看時(shí)，一個(gè)明亮的光源。過(guò)厚的膜的表面，其行為像一面鏡子，將不發(fā)送光。

基準(zhǔn)板的銀膜的質(zhì)量可以評(píng)價(jià)如下。如果兩個(gè)這樣的板的鍍銀表面相對(duì)，并對(duì)著一個(gè)楔子，如在圖4中示出的，明亮的光源被認(rèn)為通過(guò)楔，然后將出現(xiàn)類似的圖像數(shù)據(jù)的序列的光源。應(yīng)計(jì)算這些圖像的數(shù)目，25個(gè)或更多的存在表示令人滿意的汽相淀積膜，具有至少90％的反射率。作為一個(gè)粗略的標(biāo)準(zhǔn)，更慢的圖像的顏色的變化從藍(lán)色到紅色的電影，更好的質(zhì)量。

汽相淀積的銀膜，可以很容易地除去的有機(jī)溶劑（如酒精，苯，二甲苯，丙酮等）。過(guò)氧化氫是適合用于去除氣相沉積銀膜沒(méi)有影響苦瓜安裝的安裝的晶體的標(biāo)本。二手照相板，或類似的材料，具有精確均勻的表面，可受聘為光學(xué)單位。在許多商業(yè)產(chǎn)品，反射率增加的多層涂層，和比較硬的涂層被施加到保護(hù)參考平坦的表面。銀氣相沉積參考單位使用后丟棄，，但多層涂層板，可反復(fù)使用。但是，如果表面甚至輕微劃傷或受到其它損壞，板不能用于干涉。

多光束干涉的實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)表面形貌測(cè)量的多光束干涉法，試樣和基準(zhǔn)板，在某些點(diǎn)接觸。因此，這種方法并不適用于敏感的污染或非常柔軟的試樣的標(biāo)本。此外，由于某種原因不能涂銀標(biāo)本是不適合的。

正如前面所解釋的干涉條紋的清晰度，最接近的可能的接近的試樣和基準(zhǔn)板條件的討論是必要的。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，具有三個(gè)螺釘?shù)膴A具被夾緊的試樣和參考單位，必須進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)顯微鏡觀察的干涉條紋。在雙光束干涉的情況下，該模式必須被調(diào)整，以使出現(xiàn)條紋垂直于要被測(cè)量的步驟，和條紋的分散性也被調(diào)節(jié)。如果至少有三個(gè)條紋出現(xiàn)在視場(chǎng)，可以進(jìn)行測(cè)量。

從顏色布置的形成由白色光照明下，在雙光束干涉條紋，干涉條紋的連續(xù)性，可確定。實(shí)施例都在圖5示出所涉及的推理。假設(shè)觀察到的干涉圖案，使用546納米的過(guò)濾器，光譜儀采用不同的低壓汞燈，和條紋的移位出現(xiàn)在圖5中所示的（一）。顯然，條紋的上部和下部的行已被被相互移位的表面上的步驟，但并不明顯條紋的連續(xù)性原始方式進(jìn)行。如果單色過(guò)濾器被去除，與黃色和橙色的光譜條紋的干涉條紋的出現(xiàn)，和條紋的適當(dāng)?shù)倪B接可以是通過(guò)比較的彩色條紋的布置確定。在圖5（b）中，B-B'表示的順序相同的順序的干涉條紋，而在圖5（c）中的事實(shí)，BC'代表干涉條紋相同的順序同樣顯而易見(jiàn)的安排，通過(guò)檢查彩色條紋。

測(cè)量水平的差異顯示條紋的移位的量的方法，類似于上的文章中所述的雙光束干涉儀，在圖7（c）中示出該節(jié)。然而，在多光束干涉的情況下，干涉條紋的間距不一定是等距離的，因此，高度是通過(guò)以下的方法計(jì)算。的高度，h 一個(gè)步驟，在圖5（b）中，例如，可以由下式確定：

h = 2BB'/(A'B' + B'C') × λ/2 = BB'/(A'B' + B'C') × λ.

同樣地，對(duì)于圖5（c）中所示的例子中，相應(yīng)的通式為

h = 2BC'/(B'C' + B'C') × λ/2 = BC'/(B'C' + B'C') × λ.

在圖6（a）中，提出的凹坑，稱為trigons（三角形的凹部），在天然金剛石阿多光束干涉顯微照片。的較大的凹部10-20納米的深度，而較小的深度是2-4納米的順序。

圖6（b）示出多光束干涉圖案，形成trigons，利用透射光，在這種情況下，由于鉆石本身的透射光，可以觀察到。傳播的多光束干涉顯示明亮的條紋。與此相反，不透明的標(biāo)本，顯示暗條紋形成的圖案。通過(guò)具有雙折射率的樣品透射的光形成極其復(fù)雜的干涉圖樣，因此不適合用于測(cè)量透射光通過(guò)這樣的試樣。在這樣的情況下，仍可以通過(guò)以下方式獲得可靠的測(cè)量地形凹凸的反射光的干擾。

相關(guān)文章中所討論的雙光束干涉，高分散性干擾允許利用強(qiáng)度變化，由于高度的極其微小的差異。由圖7（a）所示的天然金剛石trigons的例子中說(shuō)明了這一點(diǎn)。在圖6（a）所示的表面顯微鏡照片中所示的幾乎是相同的，但在該實(shí)例中，對(duì)著試樣和基準(zhǔn)板的表面，這樣，在小的干涉條紋形成一個(gè)楔形。然而，在圖7（a）的圖案形成中，被定位的兩個(gè)表面大致平行，從而散布在大面積的單邊緣和方便詳細(xì)地觀察。分鐘級(jí)別變化的對(duì)比顯示，可以更大程度的提高，可能比時(shí)，利用雙光束干涉。圖7（b）中所示，dt的高程差引起的強(qiáng)度差的dI。一個(gè)多光束的干涉條紋的強(qiáng)度分布的梯度比雙光束干涉條紋更為突然，由于微小電平變化的顯示的對(duì)比度相應(yīng)的更高的靈敏度。

六角形鐵素體（磁鉛）圖6（（c）和（d）條）。這是相同的晶體的雙光束干涉的圖8（a）中的文章。在此，圖6（c）是在高放大倍率拍攝的多光束干涉圖樣的一部分。圖6（d）是一個(gè)相襯的顯微照片，疊加后的干涉圖案相同的圖案部分。以這種方式，可以定量地顯示水平的差異，在一個(gè)單一的照片。此外，人們可以在條紋之間的中間區(qū)補(bǔ)償丟失的信息，從在多光束干涉圖案的條紋之間的間距過(guò)大的結(jié)果。

結(jié)論

給出的例子構(gòu)成一個(gè)單純的片段廣大干涉的應(yīng)用領(lǐng)域。但是，它被希望提供這些實(shí)施例來(lái)說(shuō)明應(yīng)用程序的干涉測(cè)量各種材料的現(xiàn)象，如合成，溶解，斷裂，變形和膜形成的事實(shí)，允許通過(guò)其他方式，這將是很難獲得的信息的獲取。

總之，干涉儀是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的，精度高的方法，并因此可用于常規(guī)用同樣的方便的辦公桌上作為一個(gè)普通的標(biāo)尺。事實(shí)上，傳統(tǒng)顯微鏡可以立即被轉(zhuǎn)換成干涉儀在任何時(shí)候，僅通過(guò)適當(dāng)?shù)母郊惭b。