摘要：为解决传统分离镜组式干涉仪体积较大,无法在空间受限的环境条件下应用的问题,开展了全光纤F-P干涉位移测量技术研究。根据干涉原理分析了不同反射率条件对干涉信号形式的影响,计算得出:当反射率为4%时,多光束干涉的光强信号将近似为正弦函数,并利用有限元仿真对位移测量原理进行验证。设计搭建了基于非本征F-P干涉技术的全光纤位移测量系统。实验结果表明:该系统在1 min内静态噪声电压标准差为23.3 mV;在1 mm位移范围内,该系统与XL-80激光干涉仪的测量结果呈现高度线性关系,线性相关系数R 2为1,且该系统位移测量重复性优于XL-80激光干涉仪。

摘要：钢球的球体几何特性令表面上的缺陷难以连贯成像引起漏检或缺陷畸变被误判,且钢球的镜面反射效应可能造成缺陷信号被周围环境的像和高反亮斑淹没,导致缺陷漏检。为此,提出了一种基于光学暗场线扫描技术的钢球表面缺陷检测方法,设计搭建了一套适用于高反射率钢球的暗场线扫表面缺陷检测系统,开发了图像预处理、畸变校正、缺陷提取、点云重建、分割和过滤等算法,建立球面图像点间的空间几何关系,成功将钢球表面缺陷在三维球面上重构,实现了轴承钢球表面缺陷的三维连贯检测。实验结果表明,对表面完好的无损球测量重复性为0.14%,对表面带有缺陷的磨损球测量重复性为0.11%。

摘要：针对纳米结构表征和纳米制造的质量控制需要,中国计量科学研究院设计并搭建了一台计量型原子力显微镜用于纳米几何结构的测量。为了将位移精确溯源到国际单位米,研制了单频8倍程干涉仪测量位移,样品表面形貌则由接触式原子力显微镜测量。一个立方体反射镜与原子力显微镜的测头固定,作为干涉仪的参考镜。两个互相垂直的干涉仪用于测量样品与探针在x-y方向的相对位置。样品台置于具有三面反射镜的零膨胀玻璃块上,由压电陶瓷位移台驱动。另外两台干涉仪测量样品与探针在z方向的位移,探针针尖位于干涉仪光束的交点以减小Abbe误差。由于光学器件的缺陷产生的相位混合会引起非线性误差,采用谐波分离法拟合干涉信号来修正误差,修正后干涉仪测量误差减小为0.7nm。

摘要：针对纳米计量高分辨力的要求，应用光学倍程法设计了一套基于Michelson激光干涉仪原型的多倍程激光干涉系统。该系统光源由保偏光纤直接导入，采用共光路、立体空间布局设计。通过建立模型分析该干涉系统的几何特性，得出移动镜偏转对该系统带来的影响可以得到有效补偿，因而光路具有很好的稳定性。出射的参考光与测量光始终保持平行，便于干涉系统光路的整体布局与信号接收，同时易于光路的调节从而获得对比度高、信噪比好的干涉信号。

摘要：基于高稳定性平面镜干涉仪（HSPMI）构建了一套激光干涉纳米位移校准系统。描述了该系统的组成，设计了基于VME总线的数字信号处理计算机软件程序，对影响系统测量不确定度的各类误差进行了分析，得出该校准系统测量不确定度为2．93nm。分别对系统稳定性和纳米级位移测试进行了实验，验证了构建系统的有效性和实用性。

摘要：为了消除气体轴承固有纳米级微振动,需要研究气体止推轴承上气和排气的瞬态过程。应用流体力学方程,计算得到气体轴承的外特性。设计一个适用于气膜厚度为微米量级的气体轴承实验机构,进行不同负载下气体轴承上气和排气过程的实验。实验结果较好地验证了理论分析的合理性,上气过程随着负载的增加出现初速度不为零的阶跃过程,排气过程中气膜厚度的变化随压强的变化呈现三次函数关系。为下一步控制研究提供重要的理论和实践基础。

摘要：提出了一种适用于针尖增强拉曼光谱(TERS)系统的金修饰钨丝探针,研究了其制备方法。有限元仿真设计了针尖的形状为内弧形针尖,并进行二氧化硅粘结层和金颗粒外层双镀膜结构纳米修饰;通过调节实验室自主研制的电化学腐蚀探针装置的溶液浓度、电机位移和浸入深度制备符合形状要求的钨丝针尖;在此基础上,通过电感耦合等离子体化学气相沉积技术(ICP-CVD)进行二氧化硅涂层镀制,电子束加热物理气象沉积技术(EB-PVD)进行金涂层镀制。最终完成该探针制备,双层镀膜后针尖曲率半径达30~80 nm,可用于TERS研究。

摘要：根据纳米计量分辨力的要求,设计一套共焦法布里-珀罗(F-P)干涉显微测头。系统光源采用保偏光纤直接导入,从F-P腔外入射。光路设计成便于减小光学共模噪音的差动形式。通过建立模型分析系统光学特性,得出反射平板的最佳反射率以及共焦结构对干涉条纹的影响。实验验证表明反射平板反射率为40%时可以使系统得到对比度高,信噪比好的干涉条纹;针孔光阑可以方便寻找测量透镜的焦点和减小杂散光的噪音;系统轴向分辨力达到0.2nm。

摘要：针对微纳米结构的真三维形貌无损检测需求,研制了基于裙摆型针尖(Flared tip)的三维原子力显微镜(3D-AFM)。设计了一种高精度扫描平台结构,通过同时移动探针和样品实现快速伺服反馈,并利用组合式纳米定位台来保证位移的线性度和正交性。为了消除因AFM测头移动引起的信号偏差,设计了随动式光杠杆系统用于检测悬臂梁的形变量。此外,提出了一种基于商用裙摆探针的悬臂梁裁剪方法,可减小测量过程中针尖横向受力。将改进型探针安装到3D-AFM系统上,利用自适应矢量逼近扫描策略进行了多种样品的3D测量实验。实验结果表明,样机的垂直方向位移噪声(RMS)优于0.1 nm,高/宽测量重复性(峰峰值)优于2.5 nm。

摘要：为了实现微纳台阶样板表面三维尺寸的快速精确计量,设计了计量型白光干涉显微镜。针对白光干涉显微镜获取的干涉图像,提取表面各测量位置的干涉信号,使用小波变换滤除信号噪声,建立白光干涉信号数学模型,使用Hilbert提取干涉信号的包络曲线,从干涉图像中解调出被测样品表面的三维形貌信息。对标称值为281 nm和4 430 nm的台阶样板进行了测量,测量标准差为0. 8 nm和7. 9 nm,相对示值误差为0. 6%和0. 4%,实验结果表明:Hilbert变换算法能够快速精确地解算出表面相对高度,具有较高的运算效率和运算精度。