物理实验在实践中的应用

来源：长春师范学院学报(自然科学版) 作者： 邓　宇,贾福全

高等教育强调培养应用型人才,这就要求教师首先要提高自我创新意识,并在教学中把该理念传授给学生,因才施教,因势利导,对热爱科技探索、求知欲望强的学生,多给他们创造实践的机会,让他们在开放实验期间,多发挥个人的想象和设计,由此会得到意想不到的教学效果。下面以两个光学实验为例,说明只要拥有独立思维意识,就可以把基础实验应用到社会生产或高科技研究的精密测量中。

纳米技术和纳米材料的科学价值和应用前景已逐渐被人们所认识,一种普遍的观点认为,信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术。纳米材料被当作一种非常小的“宏观物质”以致于表现出前所未有的特性,纳米技术和纳米材料集中体现了小尺寸、复杂构型、高集成度、强相互作用以及高比表面积等现代科学技术发展的特点,是当代微电子工业的支柱,同时也在治理环境污染和医疗保健方面发挥着重要作用。

纳米材料大致可分为纳米粉末(零维)、纳米纤维(一维)、纳米膜(二维)、纳米块体(三维)、纳米复合材料、纳米结构等六类,其中纳米膜分为颗料膜(颗粒度在100纳米以下的粉末构成)与致密膜(膜层致密且在100纳米以内薄膜)。某些金属及氧化物具有半导体光催化作用,对于破坏微观的xx和气味有明显作用,还可以使癌细胞失活,对臭味进行控制,对于氮的固化和对于xx油的污染都十分有效。当它们被制成纳米膜结构,不仅坚固而且不易与外界不纯物质结合,且有嗜菌和xx的作用,在健康卫生领域有广阔应用前景。由于其膜厚仅在100纳米左右,因此无法采用普通测量工具进行快速测量。对纳米材料的研究依赖扫描隧道电子显微镜(Scanning Tunneling Microscopy, STM)和原子力显微镜。其横向分辨率达0·1nm,纵向分辨率达0·01nm。由于设备昂贵难得,这势必给纳米材料的生产和检测带来不便,严重阻碍纳米科技的发展,因此本文介绍如何采用等厚干涉仪和迈克尔逊干涉仪,设计巧妙光路进行干涉,并且应用计算机把干涉图样进行数字化处理,对薄膜厚度进行快速准确测量。

1　采用等厚干涉仪快速测量

将被测薄膜加工在玻璃基片上的右侧半块,左侧为玻璃表面(见图1),在上面覆盖另一光学平玻璃片,一端插入细丝,则在两玻璃板间形成一空气劈尖。当用波长λ为589·3nm的单色光(黄色)垂直照射时,在劈尖上下两表面反射的光束发生干涉,形成等厚干涉条纹,两相邻条纹空气层厚度差为λ/2,由于纳米膜的存在,在其分界线上对条纹产生影响,使条纹偏移,大小与膜厚成正比,若条纹偏移距离小于一个条纹间距,说明膜厚小于λ/2,即294·6纳米。举例:条纹偏移1/3条纹间距,则膜厚为λ1/6=98·2纳米左右,用此方法可快速判断膜厚是否在100纳米左右。由于条纹较密,测量精度xx。

2　应用迈克尔逊干涉仪准确测量薄膜厚度

原理　迈克尔逊干涉仪是物理实验室常见的仪器。利用干涉原理可以测量微小长度。如图3所示:

从激光光源发出的光束,经过扩束镜形成不同倾角的扩散光,再经过分光板G1后表面分成两路光强近似相等的光束:反射光A和透射光B。反射光A在入射到平面镜M1后,经反射又沿原路返回,透过G1到达屏;透射光束B在透过被测样品后,入射到平面镜M2上,经反射又沿原路返回,经过分光板后表面反射,在屏处与光束A相遇而产生干涉,干涉条纹为同心圆环状等倾干涉条纹,由于受样品结构影响,同心圆环左右两侧的环半径不同,条纹的位移大小与光程的变化对应。

这个实验的关键是根据被测样品有薄膜和无薄膜的两部分对光程的影响导致干涉圆环直径大小发生变化,从而算出膜的厚度。

光路图中的待测样品为玻璃基板,一半镀有纳米膜,位置放置在M2前面的位置,由于薄膜的存在使干涉条纹发生移动,则条纹移动的条数k与膜厚d的关系为2n d-2d=kλ,因此d=kλ/2 (n-1),其中n为薄膜介质折射率,λ为激光光源波长,均为固定值。若要提高测量精度,只有增加测量系统对k值的分辨率:(1)适当扩大分束镜与屏的距离,使干涉图样变大。(2)在屏的前面设置近焦数码摄像头,使摄像头尽量靠近屏,提高分辨率。(3)由摄像头将图像输入计算机,并将图形文件导入autocad进行数字化处理,能够准确辨别出1/100条的条纹移动,由于没有采用M1移动进行读数测量,因此不受迈克尔逊干涉仪能测的最小测量距离100nm的限制,并且测量的过程中,对图像的放大和缩小,都不会影响k值。

数据采集及数据处理:在autocad软件中将干涉圆环图样放大后由人工判断出计算圆环直径需要用的切线位置,由计算机根据坐标计算出直径并标注在图像上,如图分别为D1=3·01cm, D2=3·50cm, D3=4·19cm;由于D1环与D2环有条纹相连,因此为同级条纹,其半径之差即为条纹偏移距离:△X1= (D2-D1) /2=0·25cm, D1环与D3环为相邻条纹,其半径之差即为条纹间距:△X2= (D3-D1) /2=0·59cm,条纹移动的条数k=△X1/△X2=0·42,镀膜厚度d=kλ/2 (n-1) =221nm;误差的来源主要在于k值的测量,从图像上△X1可分辨的最小距离为0·005cm,条纹间距△X2的通常数值为0·50cm, (条纹间距△X2可通过适当改变屏的距离和改变摄像头的焦距来调整)则k能分辨的最小值为1/100条,因此d能分辨的最小值为6nm,测量结果表达式:

d= (2·21±0·06)×102nm

综上所述,利用迈克尔逊干涉仪及计算机图形数字处理方法可对纳米膜厚度进行xx测量,分辨率为6纳米。

经过xx镀膜的玻璃,可以应用在眼镜、建筑玻璃、太阳能管材等有实际用途的领域,而计算机辅助图像处理方法,又可以在其他实验或生产测量中得到灵活应用。通过这两个实验的开发过程,提高了教师的实践创新意识,有利于教师在教学中随时掌握时机,指导学生提高实验技能。

[参考文献]

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[2]王银峰,陶纯匡,汪涛.大学物理实验[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]张三慧.大学基础物理学[M].北京:清华大学出版社,2003.