CN101173885B

CN101173885B - 微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统

Info

Publication number: CN101173885B
Application number: CN200610114132A
Authority: CN
Inventors: 徐金杰; 江雷
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: CN101173885A

Abstract

本发明涉及微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统。采用近场光学与原子力形貌同时成像的SNOM，并以表面蒸镀金得到的导电性SNOM探针或者在导电性SNOM探针上再镀绝缘层分别作为光电流或者光电压信号检测以及近场扫描的探针。稳态光电检测以斩波器调制的连续激光作为SNOM的光源，以锁相放大器检测光电信号；瞬态光电检测以纳秒脉冲激光器作为SNOM的光源，采用快速门积分与Boxcar(矩形波串)平均器检测瞬态光电信号。整合SNOM的控制程序以及锁相放大器和快速门积分与Boxcar平均器的控制与数据采集程序，实现了近场下的稳态/瞬态光电响应、表面原子力形貌与近场光学/光谱同时成像。

Description

微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统

技术领域

本发明涉及扫描近场光学显微镜以及光电器件的微区光电特性的表征与研究领域，特别涉及微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，适用于光伏电池、光电器件、电致发光材料器件的性能检测、分子生物学的光电性质研究以及研究电场调制对近场成像的作用等方面。

背景技术

近场光学显微镜的技术的出现使得光学显微镜的分辨率突破光学衍射的限制，可以在纳米尺度观测光和物质的相互作用；采用原子力探针的近场光学显微镜则具有同时进行样品表面的形貌和近场光学成像。半导体材料的光电特性是光作用下材料内发生电荷转移的能力，此种特性可以应用于太阳能电池、印刷技术、光探测等领域，材料的光电特性不仅仅和材料的固有性质相关，也和其形态以及表面结构有关，尤其对于薄膜结构的半导体光电材料，其纳米尺度的结构特征有时对其光电特性起主要作用。为了提高对材料测量的空间分辨率以及表面光电响应成像，通常的光电测量采用扫描Kelvin探针或者扫描隧道显微镜模式(Surface photovoltage phenomena：theory，experiment，and applications，L.Kronik，Y.Shapira，Surface Science Reports，1999，37，1～206)，照射光采用远场照射模式，由于远场光能够深入样品内部一定的深度，此时的光电测量容易受到样品表面层以下的性质的影响(Near-field surfacephotovoltage，R.Shikler and Y.Rosenwaks，APPLIED PHYSICS LETTERS，2000，77，836)，所以我们采用近场照射模式可以得到更多表面与接近表面区域的光电信息。R.Shikler与Y.Rosenwak也作了近场表面光电压测量的工作(Near-field surface photovoltage，R.Shikler and Y.Rosenwaks，APPLIEDPHYSICS LETTERS，2000，77，836)，所采用的探针为光纤探针，工作模式为扫描Kelvin探针模式。而我们采用完全接触的原子力扫描模式与原子力探针，通过对探针的特殊处理，可以进行表面光电流与表面光电压的测量，具有高的空间分辨能力与灵敏度；同时结合时间分辨的测量，能够得到表面光电响应的寿命信息与成像功能。在我们的发明仪器上，还可以进行电致发光材料以及电场调制对近场成像的作用等方面的研究。

发明内容

本发明的目的是将近场光学显微镜与光电检测有机的结合在一起，提供一种微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，从而实现近场光照射下微区的光电检测，提高光电检测的分辨率与应用范围，可以应用于半导体、生物等领域；具有形貌成像、光电成像以及微区光电时间分辨测量功能。

本发明的基本构思：

采用的扫描近场光学显微镜(SNOM)可以实现近场光学与原子力形貌同时成像.通过表面金蒸镀得到导电性的SNOM探针，在此导电探针、样品间构建检测电路，用于采集针尖与样品界面处产生的电流信号；在导电的SNOM探针上再镀上一层绝缘层，用于采集针尖与样品界面处产生的电压信号.以连续激光作为器，以斩波器调制此连续激光，采用锁相放大器检测此时产生的光电响应，此种工作模式即为稳态近场光电检测模式；以纳秒脉冲激光器作为SNOM器，采用快速门积分与矩形波串平均器(快速门积分与Boxcar平均器)检测产生的光电信号随时间的变化特性，此种工作模式即为瞬态近场光电检测模式.SNOM的扫描成像功能兼有在每一个位置点输出一个TTL信号.在SNOM的控制程序之外编制控制快速门积分与Boxcar平均器与数据采集的程序，此程序与SNOM输出的TTL电平脉冲信号同步就可以实现SNOM扫描成像的同时采集每一点处的光电响应，即实现了近场下的稳态/瞬态光电响应扫描成像.

本发明的微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统的组成部分包括激光照射系统、具有近场光学与原子力形貌同时成像的SNOM、光电信号检测电路、SNOM控制机箱以及计算机控制与数据采集系统。

本发明的微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统的结构关系：

一连续激光器或纳秒脉冲激光器的激光出口前方安装有斩波器以及在斩波器后面安装有激光耦合与光纤系统，或单独安装激光耦合与光纤系统；在激光耦合与光纤系统的后面安装带有CCD图像采集器、白光光源、Z向步进电机、探针位置传感器、显微物镜和与悬臂位置监测用红外激光器相连接的激光耦合与光纤系统的共聚焦光学显微镜；

在共聚焦光学显微镜上的显微物镜上有一通过固定架固定的探针固定与三维调整支架；一扫描近场光学显微镜探针固定在探针固定与三维调整支架上，且扫描近场光学显微镜探针在共聚焦光学显微镜上的显微物镜的正下方；

一高精度XYZ扫描台，在高精度XYZ扫描台里安装有显微物镜，且该显微物镜是安装在扫描近场光学显微镜探针下方的垂直方向上；一三维步进电机与该显微物镜连接；在该显微物镜下方的光路上安装有全反镜，全反镜与一换向电机连接；在全反镜下方的光路上安装有光探测器；

一CCD图像采集器安装在全反镜的反射光的光路上；

在高精度XYZ扫描台上有用于固定样品的导电的固定夹；

样品通过导电的固定夹被固定在扫描近场光学显微镜探针下方的高精度XYZ扫描台上，且在扫描近场光学显微镜探针与安装在高精度XYZ扫描台里的显微物镜之间的光路上；

一锁相放大器或快速门积分与矩形波串平均器通过导线与斩波器或纳秒脉冲激光器连接，高精度XYZ扫描台上的导电的固定夹、扫描近场光学显微镜探针、计算机控制与数据采集系统分别与锁相放大器或快速门积分与矩形波串平均器连接；

所述的共聚焦光学显微镜上的CCD图像采集器、全反镜的反射光光路上的CCD图像采集器、换向电机通过导线与计算机控制与数据采集系统相连；

所述的Z向步进电机、探针位置传感器、探针固定与三维调整支架、高精度XYZ扫描台以及光探测器通过导线与扫描近场光学显微镜控制机箱相连；

所述的扫描近场光学显微镜控制机箱与计算机控制与数据采集系统通过导线相连。

所述的激光照射系统包括连续激光器或纳秒脉冲激光器、斩波器以及激光耦合与光纤系统，或激光耦合与光纤系统。

所述的具有近场光学与原子力形貌同时成像的SNOM由共聚焦光学显微镜、监视系统、特制的SNOM探针、探针固定与三维调整支架、高精度三维扫描台、探针位置传感器、透射近场光收集光路以及SNOM控制机箱与计算机控制与采集系统。

所述的光学显微镜有激光光纤输入接口，考虑显微镜的光会聚作用，从光纤输出的激光功率应低于100mW；光学显微镜通过一高精度的Z向步进电机控制其Z方向上的移动。

所述的扫描近场光学显微镜探针由硅悬臂与镀有铝膜(厚度为100nm)、中空的二氧化硅小孔针尖构成(市售产品)，激光可以从悬臂的上方的方孔进入中空的针尖，从针尖顶端的小孔出射。此探针不具有导电性，而光电流测量时需采用导电的探针。采用膜厚可精确控制的真空蒸镀仪在SNOM探针的针尖方向的表面上蒸镀4～6nm厚的金膜，则得到导电性的探针。金膜太薄则由于金膜不连续影响导电性，太厚则会影响近场探针的小孔(直径50nm)，从而可能严重影响器的出射。

所述的光电压测量时还需在金膜层镀上一层绝缘层，所采用的方法为在真空蒸镀仪中在金膜外蒸镀一层3～5nm厚的铝膜，在0.01atm氧气氛围中于200℃处理半2小时左右，得到一层绝缘的氧化铝薄膜。

所述的固定探针用的探针固定与三维调节架固定在共聚焦光学显微镜上的光学显微物镜上，用于确保SNOM探针的小孔在光学显微物镜镜头的正下方，同时此固定架可以微调探针的位置，使得激光可以从小孔中透射出去；固定架另有导电连接点，此连接点与探针悬臂导电层电导通。

所述的高精度三维扫描台以夹式固定样品，且此固定夹为金属构造，与样品表面充分接触。

所述的SNOM控制机箱用于控制近场显微镜的近场扫描成像与表面原子力形貌扫描成像，在扫描成像过程中，每移动一个位置可以输出一个TTL脉冲信号。

所述的光电信号检测电路包括外电路、相应的稳态/瞬态光电响应检测系统。

外电路一端与探针固定架上导电连接点连通，另一端与样品台的固定夹连通，此时针尖与样品界面处产生的光电信号就可以通过外电路检测与采集。

所述的稳态光电响应检测系统主体为锁相放大器，其参比端与斩波器相连，光电信号输入其输入端，产生的输出信号输出至计算机采集系统。

所述的瞬态光电响应检测主体为快速门积分与Boxcar平均器，纳秒脉冲激光输出的TTL信号作为其参比信号，光电信号输入其输入端，其对应的采集程序以SNOM控制机箱在表面扫描成像中每移动一个位置输出的TTL脉冲信号作为触发。

所述的计算机控制与数据采集系统包括SNOM的控制与数据采集系统以及光电检测控制与信号采集系统。SNOM的控制与数据采集系统用于通过SNOM机箱控制近场扫描成像以及数据的采集；光电检测控制与信号采集系统可以通过数据采集卡采集TTL电平脉冲信号与锁相放大器输出的信号，再通过编制程序控制快速门积分与Boxcar平均器、采集快速门积分与Boxcar平均器信号以及绘制表面光电响应图像。光电检测控制与信号采集系统具有开放性与独立性，从而能够实现与一般近场探测系统高度的兼容性。

本发明的工作条件为电磁屏蔽的环境，采用锁相放大器技术检测稳态光电响应，采用快速门积分与Boxcar平均器技术检测瞬态光电响应。本发明的工作过程：

在使用微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统时，连续激光器输出再经斩波器调制的激光或者纳秒脉冲激光器输出的脉冲激光通过激光耦合与光纤系统进入共聚焦光学显微镜，经过共聚焦光学显微镜内光路会聚至SNOM探针的小孔正上方。在样品台上首先放置一块透明的玻片，SNOM探针在原子力模式下接近直至完全接触此玻片，然后稍抬起探针。调整SNOM透射采集光路的采集物镜，使其聚焦至探针的小孔处，微调探针的位置使得激光从小孔出射并且能量能够达到最大。再更换为所要测的样品，此样品的边缘处在测试前通过喷金或者以导电胶处理，使得样品的表面与样品台的金属固定夹良好导通。对于透明样品可以以近场扫描模式工作，此时可以进行近场光学、原子力形貌以及表面光电响应成像；对于不透明样品则以原子力模式工作，此时进行为原子力形貌与表面光电响应同时成像。

在进行稳态光电响应的测量时，采用连续激光器。光电压与光电流的测量方式只是采用的针尖不同，基本工作过程相同。连续激光器输出再经斩波器调制的激光通过激光耦合与光纤系统进入共聚焦光学显微镜，斩波器的工作频率约为SNOM输出的TTL电平脉冲信号频率的10倍以上。SNOM探针与样品完全接触后，激光透过小孔照射样品的表面，针尖与样品界面处电荷分离产生光电信号，进入锁相放大器输入端。锁相放大器以斩波器的输出信号作为参比信号，输出±10V范围的模拟信号进入计算机的A/D采集卡。编制的数据采集程序记录采集的信号并与表面的位置信息相对应，从而绘制出表面光电响应图像。

在进行瞬态光电响应的测量时，纳秒脉冲激光器作为激光器，通过激光耦合与光纤系统进入共聚焦光学显微镜。针尖与样品接触，界面处产生光电信号，编制的程序控制快速门积分与Boxcar平均器采集此光电响应，在表面的每一位置给出对应的时间相关光电响应。

扫描成像功能的实现主要通过两种方式。其一是将SNOM控制机箱的表面座标点信息以及TTL电平脉冲信号采出并输入到数据采集卡中，光电响应数据采集程序记录此位置信息，TTL信号则用于采集程序与扫描图像的同步；其二是根据扫描的顺序将采集到的信号按位置的顺序进行转换，然后再现表面光电响应成像。

附图说明

图1.本发明实施例1的微区稳态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统示意图。

图2.本发明实施例2的微区瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统示意图。

图3A、3B.本发明实施例所采用探针的结构示意图。

附图说明

1.连续激光器 2.斩波器

3.共聚焦光学显微镜 4.CCD图像采集器

5.白光光源 6.悬臂位置监测用红外激光器

7.Z向步进电机 8.样品

9.显微物镜 10.三维步进电机

11.全反镜 12.探针位置传感器

13.探针固定与三维调整支架 14.锁相放大器

15.SNOM控制机箱 16.CCD图像采集器

17.SNOM探针 18.计算机控制与数据采集系统

19.纳秒脉冲激光器 20.快速门积分与Boxcar平均器

21.显微物镜 22.激光耦合与光纤系统

23.激光耦合与光纤系统 24.高精度XYZ扫描台

25.换向电机 26.光探测器

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1.

请参见图1、图3。图1是本发明一个稳态光电检测具体实施例的结构示意图，由图可见，一种微区稳态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，包括激光照射系统、具有近场光学与原子力形貌同时成像的扫描近场光学显微镜、外检测电路、扫描近场光学显微镜控制机箱以及计算机控制与数据采集系统。

一连续激光器1的激光出口前方安装有斩波器2以及在斩波器2后面安装有激光耦合与光纤系统22；在激光耦合与光纤系统22的后面安装带有CCD图像采集器4、白光光源5、Z向步进电机7、探针位置传感器12、显微物镜21和与悬臂位置监测用红外激光器6相连接的激光耦合与光纤系统23的共聚焦光学显微镜3；且显微物镜21是在共聚焦光学显微镜3的下方；

在共聚焦光学显微镜3上的显微物镜21上有一通过固定架固定的探针固定与三维调整支架13；一扫描近场光学显微镜探针17固定在探针固定与三维调整支架13上，且扫描近场光学显微镜探针17在显微物镜21的正下方；

一高精度XYZ扫描台24，在高精度XYZ扫描台24里安装有显微物镜9，且该显微物镜9是安装在扫描近场光学显微镜探针17下方的垂直方向上；一三维步进电机10与该显微物镜9连接；在该显微物镜9下方的光路上安装有全反镜11，全反镜11与一换向电机25连接；在全反镜11下方的光路上安装有光探测器26；

一CCD图像采集器16安装在全反镜11的反射光的光路上；

在高精度XYZ扫描台上有用于固定样品的导电的固定夹；样品8通过导电的固定夹被固定在扫描近场光学显微镜探针17下方的高精度XYZ扫描台24上，且在扫描近场光学显微镜探针17与安装在高精度XYZ扫描台24里的显微物镜9之间的光路上；

一锁相放大器14通过导线与斩波器2连接，高精度XYZ扫描台24上的导电的固定夹、扫描近场光学显微镜探针17、计算机控制与数据采集系统18分别与锁相放大器14连接；

所述的CCD图像采集器4、CCD图像采集器16、换向电机25通过导线与计算机控制与数据采集系统18相连；

所述的Z向步进电机7、探针位置传感器12、探针固定与三维调整支架13、高精度XYZ扫描台24以及光探测器26通过导线与扫描近场光学显微镜控制机箱15相连；

所述的扫描近场光学显微镜控制机箱15与计算机控制与数据采集系统18通过导线相连。

连续激光器1输出的激光光束通过斩波器2成为调制的激光，通过激光耦合与光学系统22进入到共聚焦光学显微镜3，斩波器2的斩波频率输入到锁相放大器的参比端。

SNOM探针17固定在探针固定与三维调整支架13上，并通过探针固定与三维调整支架13调整使得针尖小孔在显微物镜21的正下方，Z向步进电机7则控制共聚焦光学显微镜3以及SNOM探针17Z向的位移，实现探针逼近样品以及从样品表面抬起。

监视系统包括白光光源5、CCD图像采集器4、显微物镜9、三维步进电机10、全反镜11以及CCD图像采集器16，白光光源5输出的白光光束经共聚焦光学显微镜3以及显微物镜21照射到样品表面，反射回来的白光再经显微物镜21以及共聚焦光学显微镜3进入CCD图像采集器4在其上成样品上表面的光学显微图像，显微物镜9、全反镜11以及CCD图像采集器16则构成下光路监视系统，可以从下方观测样品下表面的光学显微图像，以及可以从下方观测SNOM探针17逼近样品的情况，及激光是否从SNOM探针17的小孔中出射。

光电信号检测电路由斩波器2、锁相放大器14、样品8、SNOM探针17所构成。SNOM探针17通过探针固定与三维调整支架13上的导电点与BNC线的屏蔽层相连接；样品8通过高精度XYZ扫描台24的样品夹与BNC线的内芯相连接，此BNC线与锁相放大器14的信号输入端相连接；斩波器2的频率输出与锁相放大器14的参比频率输入端相连接。在针尖和样品间产生的光电信号进入锁相放大器14，然后被计算机18的数据采集程序采集。

控制与反馈系统包括悬臂位置监测系统与SNOM控制与扫描系统：

悬臂位置监测系统包括悬臂位置监测用红外激光器6、激光耦合与光纤系统23、探针位置传感器12，悬臂位置监测用红外激光器6输出的激光经激光耦合与光纤系统23进入共聚焦光学显微镜3，然后经共聚焦光学显微镜3的内光路以及显微物镜21照射在SNOM探针17小孔的偏上方，反射回来的激光经共聚焦光学显微镜3以及显微物镜21进入探针位置传感器12，探针位置传感器12感应探针位置的变化，将变化的信号输入到SNOM控制机箱15，SNOM控制机箱15根据探针变化的信号调整高精度XYZ扫描台24的位置。

SNOM控制与扫描系统包括SNOM控制机箱15、高精度XYZ扫描台24、光探测器26，高精度XYZ扫描台24上有导电良好的金属夹用于夹持样品8，同时有导电连接口与锁相放大器输入端相连，SNOM控制机箱15控制高精度XYZ扫描台24在X、Y方向上的移动，而其Z方向的位移则反映样品表面的形貌高度变化，光探测器26则记录每一点光信号，高精度XYZ扫描台24的Z方向位移以及光探测器26记录的光信号输入到计算机控制与数据采集系统18中，通过相应的程序就可以得到表面的原子力形貌像与近场光学像。

计算机控制与数据采集系统18包括SNOM的控制与扫描成像程序、锁相放大器14的数据采集程序、CCD图像采集器4和16的程序，SNOM控制机箱15输出TTL信号输入计算机作为锁相放大器14的数据采集程序的触发程序。

样品8的制备有两种方式.一种是在导电的基底上制备样品，并且在边缘处有部分导电基底不为样品所覆盖，可以直接和高精度XYZ扫描台24上的导电样品夹导通，此时电流的传输主要为样品的纵向方向；对于某些样品，也可以在边缘镀上部分导电层如金，此导电层与高精度XYZ扫描台24上的导电样品夹导通，此时电流的传输主要为样品的横向方向.

微区稳态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜实施例的工作过程：

首先通过移动Z向步进电机7抬起共聚焦光学显微镜3，放置一块盖玻片在高精度XYZ扫描台24上，并用样品夹固定。将SNOM探针17安装在探针固定与三维调整支架13上，确保SNOM探针17在显微物镜21的正下方。通过共聚焦光学显微镜的监视系统白器5、CCD图像采集器4观测SNOM探针17，通过调节探针固定与三维调整支架13，使得SNOM探针17在视窗中成清晰的图像，并且SNOM探针17悬臂上的方孔在光轴位置。此时让连续激光器1输出的激光进入到共聚焦光学显微镜，并聚焦到SNOM探针17的小孔位置。然后粗调Z向步进电机7使得探针逼近盖玻片；在快接近的时候，调整悬臂位置监测系统，通过SNOM的控制程序控制Z向步进电机7自动让探针接近盖玻片直至探针完全和盖玻片接触上。再驱动Z向步进电机7使得SNOM探针17抬起一定距离，驱动换向电机25使得全反镜11可以将光线反射进入CCD图像采集器16。通过驱动三维步进电机10使得显微物镜9聚焦在SNOM探针17的针尖位置，并且针尖在显微物镜9的光轴上。然后在XY方向上调整探针固定与三维调整支架13，使得激光从SNOM探针17的小孔出射，并且亮度最大，表明此时激光已经可以透过SNOM探针17的小孔照射到样品的表面。抬起Z向步进电机7，将待测样品8固定在高精度XYZ扫描台24上，连接好光电检测电路，再通过Z向步进电机7使得SNOM探针17完全和样品8接触上。启动斩波器2，将斩波器2的频率输出与锁相放大器14的参比端相连接，样品8和SNOM探针17分别构成信号的两极与锁相放大器14的信号端相连接，启动锁相放大器14及其数据采集程序。启动SNOM的成像扫描，驱动高精度XYZ扫描台24在XY平面上进行扫描，在每扫描一个点的同时，SNOM控制机箱15会输出一个TTL信号，此TTL信号输入计算机18的串口，在TTL信号的上升沿触发锁相放大器14其数据采集程序的运行，并且在TTL信号的下降沿将锁相放大器14其数据采集程序采集的结果输出到一记录数组，该数组的排列次序与扫描的次序相对应，这样在扫描结束后可以通过绘图与数据处理程序再现表面每一点的光电响应以及表面光电成像。对于光电流检测，SNOM探针采用探针1701(在由硅悬臂与镀有100nm厚铝膜、中空的二氧化硅小孔针尖构成的扫描近场光学显微镜探针的表面蒸镀4～6nm的金膜，此探针前端的小孔直径为50nm)如图3A所示；对于光电压检测，SNOM探针采用探针1702(在探针1701的金膜上再蒸镀有一层3～5nm厚的铝膜，并对铝膜进行氧化处理)，如图3B所示。

实施例2

请参见图2。图2是本发明一个瞬态光电检测具体实施例的结构示意图，与稳态光电检测具体实施例的结构示意图相类似，一种微区瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，包括激光照射系统、具有近场光学与原子力形貌同时成像的扫描近场光学显微镜、外检测电路、扫描近场光学显微镜控制机箱以及计算机控制与数据采集系统，其特征与稳态光电检测具体实施例的不同主要在于激光照射系统、外检测电路、以及部分数据采集系统。

一纳秒脉冲激光器19的激光出口前方安装有激光耦合与光纤系统22，在激光耦合与光纤系统22的后面安装带有CCD图像采集器4、白光光源5、Z向步进电机7、探针位置传感器12、显微物镜21和与悬臂位置监测用红外激光器6相连接的激光耦合与光纤系统23的共聚焦光学显微镜3；且显微物镜21是在共聚焦光学显微镜3的下方；

在共聚焦光学显微镜上的显微物镜21上有一通过固定架固定的探针固定与三维调整支架13；一扫描近场光学显微镜探针17固定在探针固定与三维调整支架13上，且扫描近场光学显微镜探针17在显微物镜21的正下方；

一CCD图像采集器16安装在全反镜11的反射光的光路上；

一快速门积分与Boxcar平均器20通过导线与纳秒脉冲激光器19连接，高精度XYZ扫描台24上的导电的固定夹、扫描近场光学显微镜探针17、计算机控制与数据采集系统18分别与快速门积分与Boxcar平均器20连接；

激光照射系统为纳秒脉冲激光器19，通过激光耦合与光纤系统22进入共聚焦光学显微镜3，然后从SNOM探针17的小孔出射。

光电检测电路由快速门积分与Boxcar平均器20、样品8、SNOM探针17所构成。SNOM探针17通过探针固定与三维调整支架13上的导电点与BNC线的屏蔽层相连接；样品8通过高精度XYZ扫描台24的样品夹与BNC线的内芯相连接，此BNC线与快速门积分与Boxcar平均器20的信号输入端相连接；纳秒脉冲激光器19的脉冲输出与快速门积分与Boxcar平均器20的参比频率输入端相连接。在针尖和样品间产生的光电信号快速门积分与Boxcar平均器20，然后被计算机18的快速门积分与Boxcar平均器数据采集程序采集。

计算机控制与数据采集系统18包括SNOM的控制与扫描成像程序、快速门积分与Boxcar平均器20的数据采集程序、CCD图像采集器4和CCD图像采集器16的程序，SNOM控制机箱15输出TTL信号输入计算机作为快速门积分与Boxcar平均器20的数据采集程序的触发程序。

微区瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜实施例的工作过程：

其显微镜的调整以及针尖与样品的接近和微区稳态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜实施例的工作过程相同，不同在于检测过程采用快速门积分与Boxcar平均器20检测光电信号，得到的光电信号然后被快速门积分与Boxcar平均器20的数据采集程序所采集，程序的触发和输出过程与稳态测量模式相同.对于光电流检测，SNOM探针采用探针1701(在由硅悬臂与镀有100nm厚铝膜、中空的二氧化硅小孔针尖构成的扫描近场光学显微镜探针的表面蒸镀4～6nm的金膜，此探针前端的小孔直径为50nm)，如图3A所示；对于光电压检测，SNOM探针采用探针1702(在探针1701的金膜上再蒸镀有一层3～5nm厚的铝膜，并对铝膜进行氧化处理)，如图3B所示.

Claims

1.一种微区稳态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，其特征是，所述的系统的结构是：

一连续激光器的激光出口前方安装有斩波器以及在斩波器后面安装有激光耦合与光纤系统；在激光耦合与光纤系统的后面安装带有第一CCD图像采集器、白光光源、Z向步进电机、探针位置传感器、第一显微物镜和与悬臂位置监测用红外激光器相连接的激光耦合与光纤系统的共聚焦光学显微镜；

在共聚焦光学显微镜上的第一显微物镜上有一通过固定架固定的探针固定与三维调整支架；一扫描近场光学显微镜探针固定在探针固定与三维调整支架上，且扫描近场光学显微镜探针在共聚焦光学显微镜上的第一显微物镜的正下方；

一高精度XYZ扫描台，在高精度XYZ扫描台里安装有第二显微物镜，且该第二显微物镜是安装在扫描近场光学显微镜探针下方的垂直方向上；一三维步进电机与该第二显微物镜连接；在该第二显微物镜下方的光路上安装有全反镜，全反镜与一换向电机连接；在全反镜下方的光路上安装有光探测器；

一第二CCD图像采集器安装在全反镜的反射光的光路上；

在高精度XYZ扫描台上有用于固定样品的导电的固定夹；

一锁相放大器通过导线与斩波器连接，高精度XYZ扫描台上的导电的固定夹、扫描近场光学显微镜探针、计算机控制与数据采集系统分别与锁相放大器连接；

所述的共聚焦光学显微镜带有的第一CCD图像采集器、全反镜的反射光光路上的第二CCD图像采集器、换向电机通过导线与计算机控制与数据采集系统相连；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的扫描近场光学显微镜探针由硅悬臂与镀有铝膜、中空的二氧化硅小孔针尖构成。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征是：所述的镀有铝膜、中空的二氧化硅小孔针尖的铝膜层上镀有金膜，金膜厚度为4～6nm厚。

4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其特征是：所述的探针的小孔直径为50nm。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征是：所述的镀有金膜、中空的二氧化硅小孔针尖上镀有一层3～5nm厚的铝膜。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征是：所述的探针的小孔直径为50nm。

7.一种微区瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，其特征是，所述的系统的结构是：

一纳秒脉冲激光器的激光出口前方安装有激光耦合与光纤系统；在激光耦合与光纤系统的后面安装带有第一CCD图像采集器、白光光源、Z向步进电机、探针位置传感器、第一显微物镜和与悬臂位置监测用红外激光器相连接的激光耦合与光纤系统的共聚焦光学显微镜；

一第二CCD图像采集器安装在全反镜的反射光的光路上；

在高精度XYZ扫描台上有用于固定样品的导电的固定夹；

一快速门积分与矩形波串平均器通过导线与纳秒脉冲激光器连接，高精度XYZ扫描台上的导电的固定夹、扫描近场光学显微镜探针、计算机控制与数据采集系统分别与快速门积分与矩形波串平均器连接；

8.根据权利要求7所述的系统，其特征是：所述的扫描近场光学显微镜探针由硅悬臂与镀有铝膜、中空的二氧化硅小孔针尖构成。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征是：所述的镀有铝膜、中空的二氧化硅小孔针尖的铝膜层上镀有金膜，金膜厚度为4～6nm厚。

10.根据权利要求7、8或9所述的系统，其特征是：所述的探针的小孔直径为50nm。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征是：所述的镀有金膜、中空的二氧化硅小孔针尖上镀有一层3～5nm厚的铝膜。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征是：所述的探针的小孔直径为50nm。