CN101819218B

CN101819218B - 一种用于扫描隧道显微镜的光收集装置

Info

Publication number: CN101819218B
Application number: CN 201010160542
Authority: CN
Inventors: 陆兴华; 李绍巍; 颜世超; 郭晓东; 谢楠; 江颖
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2010-04-26
Filing date: 2010-04-26
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-04-26
Also published as: CN101819218A

Abstract

本发明公开了一种用于扫描隧道显微镜的光收集装置，包括显微镜探针、反射镜、成像系统和光接收传导装置，其中，所述反射镜为半顶角为45度的圆锥面反射镜；所述显微镜探针设置在所述圆锥面反射镜的中轴线上；所述成像系统被设置为其物面位于经所述圆锥面反射镜所形成的虚像所在的平面内，所述成像系统的像面位于所述光接收传导装置的一端。采用本发明的光收集装置可以降低光学对准难度及加工难度。

Description

一种用于扫描隧道显微镜的光收集装置

技术领域

本发明属于扫描隧道显微镜领域，尤其涉及一种用于扫描隧道显微镜的光收集装置。

背景技术

1982年，Binnig与Rohrer等人将量子力学中的隧穿效应与当时先进的压电陶瓷和微电子技术相结合，发明了扫描隧道显微镜，使人类得以实现原子分辨的空间成像。随着技术的进一步发展，人类通过扫描隧道显微镜还实现了原子操控，并利用非弹性电子隧穿谱在一定意义上实现了对单个化学键的分辨。可以说，扫描隧道显微镜使人类真正拥有了认识和操控微观世界的能力。通过新的实验技术的发明，这种能力正在持续提高。

隧穿结中的光耦合效应是扫描隧道显微镜研究的重要发展方向。早在1988年，Gimzewski等人便通过实验观测到了由隧穿电流局域激发所造成的隧穿结发光。得益于扫描隧道显微镜超高的空间分辨能力，高度局域化的隧穿电流使激发区域仅仅局限在针尖与表面原子或分子所构成的隧穿结，其尺度远小于光学测量极限，这让我们拥有了研究电致单分子发光的可能。但是由隧穿电流诱导的发光信号极其微弱，应此，要实现对隧穿结中电致单分子发光的研究，我们必须首先构建一个高效率的用于扫描隧道显微镜的光收集系统。

常见的光子收集可以包括透镜收集、光纤收集和反射镜收集。其中，最为常见的是透镜收集，其原理是利用一个透镜将隧穿结发光转换为平行光，再用另一个透镜将光聚焦在收集装置上，这种收集系统虽然构造起来比较简单，但仍然只能覆盖很小一部分空间角，收光效率难以让人满意。Ushioda和Aono等人则采用了光纤收集，前者采用的是单光纤收集的方法，但是由于光纤数值孔径的限制，光纤必须尽可能的接近隧穿结才能覆盖足够的空间角，同时也需要光纤具有很高的光学对准程度。Aono则通过增加光纤数目的方法提高收集效率，但显然大大增加了系统的复杂程度和光纤的对准难度。

Berndt等人提出了反射椭球镜收集，即将发光分子置于椭球面的一个焦点，利用椭球面对光的反射特性，在另一焦点处对光进行收集。近期Mora-Sero等人也提出了一种反射抛物面镜收集系统，即将发光分子置于抛物面的焦点位置，利用抛物面的反射将出射光转化为平行光，再利用其他光学方法对光线进行束腰和分析。然而，虽然上述椭球面或抛物面的反射镜光收集系统能够覆盖较大的空间角，但它们对显微镜扫描探针针尖的位置要求极其严格，都要保证针尖隧道结在透镜的焦点处，另外，在针尖附近的狭小空间也限制了反射镜系统的体积，增加了加工难度。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术中光学对准程度高、加工困难的缺陷，提供一种改进的用于扫描隧道显微镜的光收集装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明，提供一种用于扫描隧道显微镜的光收集装置，包括显微镜探针、反射镜、成像系统和光接收传导装置，其中，

所述反射镜为半顶角为45度的圆锥面反射镜；

所述显微镜探针设置在所述圆锥面反射镜的中轴线上；

所述成像系统被设置为其物面位于经所述圆锥面反射镜所形成的虚像所在的平面内，所述成像系统的像面位于所述光接收传导装置的一端。

在上述光收集装置中，所述成像系统包括多个透镜的组合。

在上述光收集装置中，所述成像系统包括以上下叠放方式布置的两个相同的双面凸透镜，所述双面凸透镜的焦距等于圆锥面反射镜顶点到上透镜中心的距离。

在上述光收集装置中，还包括反射镜底座和透镜底座，其中所述圆锥面反射镜放置于所述反射镜底座上，所述两个双面凸透镜设置在所述透镜底座与所述反射镜底座之间。

在上述光收集装置中，所述反射镜底座的上表面设置有环形槽，用于与所述圆锥面反射镜的底部相配合。

在上述光收集装置中，还包括用于固定所述两个双面凸透镜的透镜支柱，该透镜支柱的上端与所述反射镜底座连接，下端与所述透镜底座连接。优选地，所述连接为可拆的。

在上述光收集装置中，还包括光学测量装置，该光学测量装置与所述光接收传导装置的另一端相连接。

在上述光收集装置中，所述光接收传导装置为光纤传光导。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.加工难度大大降低，同时保持了光纤收集所具有的高灵活性的优势；

2.降低了光学对准难度，对于圆锥面，只需保证隧穿结在圆锥面反射镜轴线上即可。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本发明优选实施例的用于扫描隧道显微镜的光收集装置的结构示意图；

图2是根据本发明优选实施例的用于扫描隧道显微镜的光收集装置的拆解示意图；

图3是根据本发明优选实施例的用于扫描隧道显微镜的光收集装置的光路示意图。

具体实施方式

图1和图2分别是根据本发明的优选实施例的用于扫描隧道显微镜的光收集装置的结构图及分解示意图。该装置包括圆锥面反射镜1、扫描隧道显微镜探针2，反射镜底座3、两个两面双凸透镜4和5、三根透镜支柱6、7、8(图1中透镜支柱8被挡住，因此其未被示出)、透镜底座9、光纤传光束10。其中，圆锥面反射镜1半顶角为45度，扫描隧道显微镜探针2(见图2)位于圆锥面反射镜1的中轴线上，以使所有位于圆锥面反射镜中轴线上的点通过圆锥面反射镜1所成的像均位于过圆锥面顶点并垂直于圆锥面轴线的平面上。优选地，圆锥面反射镜1的内表面镀有例如SiO₂薄膜的高反射率光学薄膜，以增强反射效率。优选地，该反射镜还设置有多个用于布线的开口11。圆锥面反射镜1放置于反射镜底座3上，优选地，扫描隧道探针2被固定在底座3的中心，从而进一步保证圆锥面反射镜1的轴线与扫描隧道显微镜探针重合。所述反射镜底座3优选地在其上表面设置有环形槽15，其形状及大小与圆锥面反射镜底部的尺寸一致，使圆锥面反射镜的底部与反射镜底座结合更稳固。双凸透镜4和5叠放于透镜底座9与反射镜底座3之间，并通过三根透镜支柱6、7、8固定，双凸透镜4和5的焦距均等于圆锥面反射镜顶点到双凸透镜4中心的距离，以使通过双凸透镜4将光线转化为平行光，再通过双凸透镜5将该平行光会聚在其焦点处。三根透镜支柱的上端通过螺纹与反射镜底座3连接，下端通过螺母与透镜底座9连接，虽然本发明采用的是螺纹连接，但是本领域技术人员应当明白，其它任何合适的可拆连接方式都是可行的。光纤传光束10的一端位于双凸透镜5的焦点处，另一端连接光学测量装置，用于将所接收到的像传送到光学测量装置中，应该理解，在本发明中光纤传光束仅为示例性的，其还可以使用其他光接收传导装置所代替。

图3是本发明优选实施例的用于扫描隧道显微镜的光收集装置的光路示意图。从图中可以看出，该装置的工作原理如下：

如图3所示，针尖隧道结(即扫描探针与样品发生隧穿的位置，也就是针尖与样品间的空间)所发出的光，通过圆锥面反射镜1的反射，在过圆锥面顶点并垂直于圆锥面轴线的平面FP内成一环状虚像14，环的半径等于圆锥面顶点到发光分子的距离(由于样品挡住了圆锥面反射镜1的顶点12，因此在图中未画出表示顶点的线条)。因为双凸透镜的焦距为圆锥面顶点12到双凸透镜4中心的距离，所以平面FP为双凸透镜4的焦平面，因此，无论发光分子位于圆锥面中轴线上的任何位置，其通过圆锥面反射镜1所成的环状虚像都将位于双凸透镜4的焦平面FP内，从而减低了该装置的光学对准难度；双凸透镜4将由反射镜反射回来的光线转化为平行光束，由于双凸透镜5的焦距与双凸透镜相同，因此光线通过双凸透镜5之后将汇聚于双凸透镜5的焦平面FP’处，即在焦平面FP’内成一环状的像13；将光纤传像束10的一端放置于双凸透镜5的焦平面FP’处，通过光纤传像束将上述环状的像13传递到光学测量装置，实现光收集。

出于加工成本考虑，本发明上述优选实施例使用的是两个相同的双面凸透镜，但对于本领域普通技术人员应该理解，只要满足以下成像条件的成像系统均可以用：该成像系统的物面与经所述圆锥面反射镜所形成的虚像所在的平面FP重合，该组合透镜的像面与光纤传光束的一端重合。

采用本发明的光收集装置大大降低了光学对准难度，只需保证探针针尖在轴线上即可，而不需保证在某点上。另外，由于圆锥面是可展曲面，比椭球面、抛物面加工难度要低很多；由于用光纤将光导出，可以把光引导到腔体外任意位置，本发明装置还具有较高的灵活性。此外，利用所成的像为环状像，通过测量光强沿角向分布可以得到光的空间分布情况，从而对隧穿结发光的各向异性特征进行探测。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims

1.一种用于扫描隧道显微镜的光收集装置，包括从上到下依次设置的反射镜、显微镜探针、成像系统和光接收传导装置，其中，

所述反射镜为半顶角为45度的圆锥面反射镜；

所述显微镜探针设置在所述圆锥面反射镜的中轴线上；

2.根据权利要求1所述光收集装置，其特征在于，所述成像系统包括多个透镜的组合。

3.根据权利要求2所述光收集装置，其特征在于，所述成像系统包括以上下叠放方式布置的两个相同的双面凸透镜，所述双面凸透镜的焦距等于圆锥面反射镜顶点到上面的双面凸透镜中心的距离。

4.根据权利要求3所述光收集装置，还包括反射镜底座和透镜底座，其中所述圆锥面反射镜放置于所述反射镜底座上，所述两个双面凸透镜设置在所述透镜底座与所述反射镜底座之间。

5.根据权利要求4所述光收集装置，其特征在于，所述反射镜底座的上表面设置有环形槽，用于与所述圆锥面反射镜的底部相配合。

6.根据权利要求4所述光收集装置，还包括用于固定所述两个双面凸透镜的透镜支柱，该透镜支柱的上端与所述反射镜底座连接，下端与所述透镜底座连接。

7.根据权利要求6所述光收集装置，其特征在于，所述连接为可拆的。

8.根据权利要求1所述光收集装置，还包括光学测量装置，该光学测量装置与所述光接收传导装置的另一端相连接。

9.根据权利要求1至8中任一项所述光收集装置，其特征在于，所述光接收传导装置为光纤传光导。

10.根据权利要求1至8中任一项所述光收集装置，其特征在于，所述圆锥面反射镜的内表面镀有光学反射薄膜。