光学纳米测量方法及发展趋势

　　一、引言

　　纳米科学是在纳米(10-9m)和原子(约10-10m)的尺度上(1nm~100nm)研究物质的特性、物质相互作用以及如何利用这些特性的多学科交叉的前沿科学与技术。随着科学的发展,它涉及到越来越广泛的内容,其中纳米测量技术是纳米科学的一个重要分支。现在亚微米到纳米精度的测量已经成为目前工业发展和科学发展中迫切需要解决的问题,例如,半导体工业中的高精度模板的制造和定位,高精度传感器的标定;在科学研究中的量子物理学、化学、分子生物学等都需要很高的测量精度。因此无论是对国民经济各部门还是军事领域等,纳米测量都有着巨大意义。世界上许多科学家正在从事这方面的工作,也为此提出了许多测量原理和方法,纳米计划在欧洲、在美国、在日本都非常受到重视[1,2]。

　　目前,能够进行纳米测量的方法主要有:非光学方法和光学方法两大类。前者包括:SPM法、电容、电感测微法;后者则包括:X光干涉仪法、各种形式的激光干涉仪法和光学光栅等方法。虽然以扫描隧道显微镜(SPM)为代表的非光学纳米测量方法能够实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率,但是这些方法在溯源到米定义的时候,仍然需要利用激光干涉仪等光学方法进行标定和校正,因此光学纳米测量方法的研究在世界上倍受重视。

　　表1给出了目前使用的各种纳米测量方法的性能指标。通过表1我们对各种测量方法的性能指标有一个非常直观的了解。

　　本文就其中的光学纳米测量领域中的原理、方法及成果进行综述,并介绍目前在这一领域亟待解决的一些问题和今后的发展趋势。

　　二、国内外光学纳米测量技术的发展

　　在光学纳米干涉测量方法中广泛采用光学倍程技术,干涉条纹电子细分技术和锁相干涉技术,这些技术的使用在很大程度上提高了光学干涉仪的测量分辨率或者精度。光学干涉仪在理论上能够实现纳米精度测量,但由于目前在理论与实践之间的差距还比较大,因此它的设计和研究成为一个非常活跃的领域,出现了许多不同的测量原理和方案。目前的光学测量方案主要有:

　　1·频率跟踪方法(F-P干涉仪)

　　当光学谐振腔的光学腔长L的变化δL与谐振频率f的变化δf之间满足如下的关系:。经过与标准的碘稳频激光器或碘吸收谱线比对L、f值是可以测量得到的,于是通过测量δf就可以得到δL。典型的光频为1014Hz,所以从理论讲这种方法的测量精度也是可以达到皮米量级的,这在所有的光学纳米测量方法中是测量精度最高的。图1就是利用这种原理的干涉仪系统的框图[3]。它的应用范围主要是针对高精度的传感器的标定,晶体晶格常数的测定等等。