光放大法及其应用 修改版

2.光放大方法在大学物理中的应用
图1
微小线位移测量
图2
微小角位移测量
3.历史上最有名的使用光放大方法的实验—— 卡文迪许万有引力实验
卡文迪许在1750年开始进行两物体之间万有引力作用的实验室测定。在实 验中他将1根细长杆的两端各安1个小铅球, 做成哑铃状的物体, 再用1根石英丝 把“哑铃”从中间横吊起来, 同时用2个大一些的铅球分别移近2个小铅球。根据 万有引力,“哑铃”一定会在引力作用下发生移动, 同时石英丝也会随之扭动。根 据实验测出石英丝扭转的角度, 可算出引力。 然而, 石英丝的扭动角度非常微小, 不可能直接观测。在1798年他终于发明 了一种放大扭动的方法。他将1面小镜子固定在石英丝上, 用1束光照射, 光线被 小镜子反射在1根刻度尺上, 石英丝的微小扭动, 反射光在刻度尺上都会明显地显 现出来。卡文迪许利用这套被他称之为“扭秤”的装置首次在实验室中验证了 万有引力定律。他在实验中所使用的放大方法即为微小角位移的光放大方法。
4.现代最新的使用光放大方法的实验仪器—— 扫描探针显微镜
扫描探针显微镜是指 80 年代后期出现的用于 从原子尺度到微米尺度研 究材料表面性质的一类仪 器。扫描探针显微技术家 族中含有至少不下20种的 各类显微仪器。扫描探针 显微镜如图3所示。
图3 扫描探针显微镜的一般原理图
在扫描探针显微技术中, 探针 与样品表面非常接近时（mm量 级），由于探针针尖与样品表面间 力的相互作用而引起微悬臂的弯曲 形变, 形变的大小实际上包含有样 品表面测试点的信息。若在保持探 针横高的条件下, 让探针在样品表 面扫描, 同时记录在不同测试点上 微悬臂的形变大小, 据此提取出样 品表面性质的信息。其中最重要的 过程是从微悬臂探针和样品表面的 相互作用过程中提取出有关样品表 面的形貌和诸如表面粘性、弹性、 微摩擦等性能的信息。
图4
光束反射法探测位移原理图
对大多数测力型的扫描探针显微镜来讲 (如原子力显微镜、摩檫力显微镜等) , 用于监测 微悬臂探针和样品表面相互作用的方法为光放大方法, 即光杠杆原理, 如图 4 所示。
在图 4 中, 激光器发出的光束打在微 悬臂的前端背面上, 并经前端背面的反射 到达位敏光学探测器上。当悬臂弯曲时, 反射激光束打在位敏光学探测器上的位置 发生移动, 位敏光学探测器本身能够分辨 最小为1nm 的光斑位移。由于悬臂和探 测器间路程与悬臂本身的长度 (100～ 200m )之比产生光学放大作用 (光杠杆) 。 结果, 此系统能够测量到悬臂探针在垂直 方向上的10- 2 nm量级的位置变化。通 过这种方式可以在扫描状 态下对在样品 表面上各扫描点处得到的信号加以处理, 提取出有关样品表面形貌和其它各种微观 信息。
光放大方法及其使用
课题总结：王晨，王继寅，徐煜超
1.引言
光放大方法作为测量微小位移的方法, 在历史和现代的测量仪器中得 到了广泛的应用,如历史上有名的卡文迪许验证万有引力的实验, 现代以扫 描隧道显微镜为代表的扫描探针显微技术。
在大学物理实验中, 光放大方法是学生需要掌握的基本测微方法之一, 如在拉伸法测杨氏弹性模量实验、光点式灵敏电流计以及固体线膨胀系 数等测量实验中多处用到。然而作为 一种基本测微技术, 许多学生并没有 予以充分重视。希望通过这一次的展示让大家更进一步去感受一下光放 大法的应用
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图4
光束反射法探测位移原理图
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