CN101403680B - 针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置 - Google Patents

Abstract

一种针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置，由分立的激光光源模块、扫描模块和探测模块组成，所述的激光光源模块包括激光器和准直透镜，所述扫描模块包括z扫描器、xy扫描器、小孔光阑、物镜和微悬臂探针，所述的z扫描器和xy扫描器构成扫描器，所述小孔光阑位于所述的z扫描器的顶端中心，所述物镜固定在所述的z扫描器的底端中央，所述微悬臂探针通过连接件固定在所述的z扫描器的底端，而且所述的微悬臂探针的针尖之背的一固定点位于所述物镜的焦点；所述探测模块包括成像透镜、光电探测器及其三维位置调整件构成，所述成像透镜位于所述的微悬臂探针的针尖之背的反射光路上，所述的光电探测器置于所述成像透镜的像方焦平面上。

Description

针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置

技术领域

本发明涉及针尖扫描式原子力显微镜，特别是一种针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置。本发明能减少针尖在三维方向高速扫描时所产生的虚假偏折。

背景技术

原子力显微镜(AFM)能对表面成纳米级别的三维图像，是在纳米技术中具有重要应用的一种表面测量仪器。原子力显微镜按扫描方式可分为两种：样品扫描式和针尖扫描式。样品扫描式原子力显微镜受到样品大小，样品温度等的限制。且对于液态样品，样品扫描式原子力显微镜很难获得正确图像，因在扫描时样品本身会产生流动。

针尖扫描式原子力显微镜正是为解决上述问题而设计的。设计的一个技术难点是其光束跟踪系统的设计。一种方案是让整个光学检测模块与针尖一起扫描。例如美国发明专利NO.5025658，如图1所示。该装置将激光器1与光电探测器10封装在一起并固定在扫描器上，跟随微悬臂探针探针8的针尖一起扫描。该方案可消除由于激光器、光电探测器和针尖相对位置变化而引入的虚假偏折。但是该方案也存在严重不足。首先，扫描器负载大，致使扫描器共振频率下降，对外界振动噪声更敏感，系统性能因此下降；其次，该方案是采用光学干涉法检测微悬臂探针偏折，灵敏度不高；再者，激光器1与微悬臂探针探针8相隔很近，不便于通过光学显微镜观察针尖和样品，也不便于激光器的调节与更换。将整个光学检测模块与针尖一起扫描已被证明不是一种理想的解决方案。

为此，P.S.JUNG等人提出“跟踪透镜法”，发表了论文《Novelstationary-sample atomic force microscope with beam trackinglens》，Electronics letters，Vol29，NO.3，pp.264-266，1993。该论文装置见图2。在该装置中，激光器1、光电探测器10与扫描器分离，且在扫描器上增加一个物镜6。该物镜6将激光会聚到微悬臂探针8上。由于物镜跟随扫描器一起运动，故能跟随微悬臂探针8的针尖的扫描运动。但该装置仍会产生较大的跟踪误差，原因是光电探测器10不能跟踪针尖的运动，扫描时即使微悬臂探针8的针尖没有偏转，其反射光斑相对光电探测器10也会产生偏移。

发明内容

本发明要解决上述在先技术存在的问题，提供一种针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置。该装置结构简单，各部件易于调整和更换，不受扫描范围的限制，可实现大范围的针尖扫描式原子力显微镜。

本发明的基本思想：首先，让激光器、光电探测器和扫描器分离，为了消除由于扫描运动而引起的针尖虚假偏折，本发明采取了两种措施：一是使激光束会聚到微悬臂探针上的一个不变位置；二是当针尖没有发生偏折时，从微悬臂探针针尖背面的反射光束在光电探测器上形成的光斑处于同一位置。

本发明的技术解决方案如下：

一种针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置，其特点是该装置由分立的激光光源模块、扫描模块和探测模块组成，所述的激光光源模块包括一台激光器和准直透镜，所述的扫描模块包括z扫描器、xy扫描器、小孔光阑、物镜和微悬臂探针，所述的z扫描器和xy扫描器构成扫描器，所述的小孔光阑位于所述的z扫描器的顶端中心，所述的物镜固定在所述的z扫描器的底端中间，所述的微悬臂探针通过连接件固定在所述的z扫描器的底端，而且所述的微悬臂探针的针尖之背的一固定点位于所述物镜的焦点；所述的探测模块包括成像透镜、光电探测器及其三维位置调整件构成，所述的成像透镜位于所述的微悬臂探针的针尖之背的反射光路上，所述的光电探测器置于所述的成像透镜的像方焦平面上

本发明相对现有技术有以下优点：

1、所述的激光器，光电探测器，成像透镜从结构上与所述的扫描模块分离，不随扫描器运动，且可通过三维位置调整件可进行位置的细调。

2、所述的光电探测器探测的光斑能很好的反映跟踪微悬臂探针针尖的运动，从微悬臂探针针尖背面的反射光斑在探测器上的位置只与针尖的形变有关，与由扫描引起的针尖位置变化无关，极大的减少了由于扫描引入的针尖虚假偏折信号，使扫描不再受到范围的限制；

3、所述的扫描器的负载只有物镜、微悬臂探针和连接件，负载小，对扫描器共振频率的影响可忽略；

4、利用小孔光阑，物镜实现了光源的自动跟踪，光束跟踪性能好，能实现大范围的针尖扫描。

5、所述的激光器、光电探测器、成像透镜与所述的扫描器分离，位置固定，而且可通过三维位置调整件进行精细调节，因此具有操作简单，光路调节方便的特点。

总之，本发明装置结构简单，各部件易于调整和更换，不受扫描范围的限制，可实现大范围的针尖扫描式原子力显微镜。

附图说明

图1是美国发明专利5025658的装置示意图

图2是P.S.JUNG等人设计的装置示意图

图3是本发明“针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置”的结构示意图

图4是本发明微悬臂探针针尖处于不同的扫描位置但具有相同偏转量的反射光束示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图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。

先请参阅图3，图3是本发明“针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置”的结构框图。由图可见，本发明针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置由分立的激光光源模块、扫描模块和探测模块组成，所述的激光光源模块包括一只半导体激光器1和准直透镜2，所述的扫描模块包括z扫描器4、xy扫描器5、小孔光阑3、物镜6和微悬臂探针8，所述的z扫描器4和xy扫描器5构成扫描器，所述的小孔光阑3位于所述的z扫描器4的顶端中心，所述的物镜6固定在所述的z扫描器5的底端中间，所述的微悬臂探针8通过连接件7固定在所述的z扫描器5的底端，所述的微悬臂探针8的针尖之背的一固定点位于所述物镜6的焦点；所述的探测模块包括成像透镜9、光电探测器10及其三维位置调整件，所述的成像透镜9位于所述的微悬臂探针8的针尖之背的反射光路上，所述的光电探测器10置于所述的成像透镜9的像方焦平面上。所述的激光器1产生激光束，经准直透镜2后成为平行光。平行光经小孔光阑3，再通过物镜6会聚到微悬臂探针8针尖的背面。激光束在微悬臂探针8针尖的背面发生反射，反射光经过所述的成像透镜9，成像于所述的光电探测器10上。z扫描器4和xy扫描器5构成xyz扫描器。7为连接件，11为样品，12为样品台。

激光束经过小孔光阑3后，可等效地将小孔光阑3看作一个新的激光光源。因小孔光阑3与扫描器做同步运动，从而获得了与扫描器做同步运动的光源。物镜6和微悬臂探针8皆固定z扫描器4底端，具有相同的z向行程。将微悬臂探针8的针尖背置于物镜6焦点处，则激光在微悬臂探针背面形成的光斑的大小和位置都是不变的。需要特别指出的是，经物镜6出射的激光束与水平方向所成角度是不变的，因为小孔光阑是与扫描器同步运动的激光光源。

光电探测器10采用四象限光子探测器，且置于成像透镜9的像方焦平面上。当微悬臂探针8的针尖弯曲了X_p的距离，在四象限上的光斑移动距离为X_B。依据光束偏转法理论，有以下关系式：

$X_B=f*2\frac{X_p}{l}$

其中：l为微悬臂探针长，f为成像透镜9的焦距。例如，f＝20mm，X_p＝1nm，l＝100μm，则X_B＝0.4μm。

在扫描时，微悬臂探针8的针尖的位置是变动的。如前述，经物镜6出射的光束与水平方向所成角度是不变的。即无论微悬臂探针8的针尖处于什么位置，打到微悬臂探针上的激光束A和A′是相互平行的。因此，只要微悬臂探针探针的偏转量相同，反射光束也是相互平行的。如图4所示。相互平行的光束B和B′经成像透镜9成像于在透镜焦平面上的光电探测器10的同一点P。扫描时，微悬臂探针8的针尖位置的变化量是微米级别，与成像透镜9焦距，与微悬臂探针8的针尖和成像透镜9之间的间距(mm级别)相比，对光斑大小和放大倍数的影响可忽略不计。所以当微悬臂探针8弯曲量相同时，在光电探测器10上光斑大小，位置都基本相同。整个测量不再受到扫描引起的位置变化的影响。

从理论上来说，本发明可完全消除针尖扫描式原子力显微镜因扫描引入的各种误差。系统中的光学件和机械件的失调引入的误差不可能被完全消除，但是本发明可加入光学监视装置，光学件调节简易，这种误差也能被极大的降低。

Claims (1)

1.一种针尖扫描式原子力显微镜的光束跟踪装置，其特征是该装置由分立的激光光源模块、扫描模块和探测模块组成，所述的激光光源模块包括激光器(1)和准直透镜(2)，所述的扫描模块包括z扫描器(4)、xy扫描器(5)、小孔光阑(3)、物镜(6)和微悬臂探针(8)，所述的z扫描器(4)和xy扫描器(5)构成扫描器，所述的小孔光阑(3)位于所述的z扫描器(4)的顶端中心，所述的物镜(6)固定在所述的z扫描器(5)的底端中间，所述的微悬臂探针(8)通过连接件(7)固定在所述的z扫描器(5)的底端，所述的微悬臂探针(8)的针尖之背面的一固定点位于所述物镜(6)的焦点；所述的探测模块包括成像透镜(9)、光电探测器(10)及该光电探测器的三维位置调整件，所述的成像透镜(9)位于所述的微悬臂探针(8)的针尖之背的反射光路上，所述的光电探测器(10)置于所述的成像透镜(9)的像方焦平面上。

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