CN102072972A - 近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扫描探针显微技术领域，所要解决的技术问题是提供一种简单的提高近场扫描光学显微镜耦合透过效率的优化系统及其优化方法。一种近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，包括计算机、探测器、收集镜、探针、聚焦镜、空间光调制仪器和驱动器，所述计算机、探测器、空间光调制仪器和驱动器组成闭合回路。本发明通过引入空间光调制仪器，对入射光场的光场分布进行调制，使得该被调制的光场同探针耦合后，具有最高的耦合透过效率，同时不会降低显微镜系统的其他性能。

Description

近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统及其优化方法

技术领域

本发明涉及扫描探针显微技术领域，尤其涉及一种近场扫描光学显微镜照明模式下的耦合透过效率优化系统及其优化方法。

背景技术

近场扫描光学显微镜（NSOM）是扫描探针显微镜的一种，它由激光器和探针构成“局域光源”，由带有超微动装置的“扫描平台”和由显微物镜等构成的“光学放大系统”三部分组成。近场显微镜用纳米局域光源在纳米尺度的近场距离照明样品，来自样品的局域光信号由显微物镜放大并经过光电接收器接收。NSOM用扫描技术使局域光源逐点网格状照明样品，然后由光电接收器接收这些光信号，再借助计算机把来自样品各点的局域光信号构画出样品的图像。

NSOM最重要的两个参数是空间分辨率和透过效率。分辨率仅取决于探针的光阑孔径及其与样品表面的间距，而不受衍射极限的限制，透过效率是指从针尖光阑输出的光功率与输入针尖的光功率之比。高分辨率和高透过效率却是相互矛盾的，对于同一种探针，随着针尖光阑尺寸的减少，透过率也快速减少（理论上为光阑尺寸的四次方函数）。这种矛盾已成为NSOM在许多应用领域中的一个主要障碍。用十分之一波长大小左右的探针，探针的耦合透过效率通常只有万分之一左右，加上探针本书具有一定的损伤阈值（通常是5mW），NSOM“局域光源”的能量非常有限，使其在光谱分辨和非线性的应用上非常困难。

提高NSOM探针耦合透过效率一直是一个重要课题，最常用的方法改变探针的性质。因此，各种各样的探针被设计和制作。但是，随着探针的形状和材料的改变，探针的扫描特性，阻尼特性，重复性，抗损伤特性都会相应的改变，实用性不高。另外，采用针尖形状设计的方法，其难度高，技术不太成熟，实用过程也受限于探针性能的改变。

大量理论和实验表明，光波耦合到探针尖端（小于二分之一波长）后，是一种倏逝波行为，随着倏逝波往前传，光功率与传播距离的四次方成反比，因此增大探针的夹角，使得尖端的长度减少，是有效的提高耦合透过效率的办法。然而，随着针尖夹角的增大，探针的针尖逐渐演化成平面（180度时），探针的扫描能力受到影响，最合适的探针夹角是30到60度。目前，商业上最常规的探针还是停留在熔融拉锥光纤探针和基于悬梁臂锥形探针。

而实际上，由于探针往往是两端金属中间中空或者是介电材料，因此用倏逝波的模型不能准确的描述光波从探针的耦合输出行为，光波在探针尖端的行为，更多的是光波跟探针壁相互作用的行为，包括了倏逝波行为、表面等离子体和光的汇聚，这也是三过渡探针、抛物线型、c型探针和蝴蝶结型探针等探针能够很大的提高耦合透过效率的原因。

以上所述的提高近场耦合透过效率的方法，都是以平面波入射出发，设计探针尖端的特性，针对近场探针的形状和探针针孔或针尖的形状进行设计的，其目的是要改变光场在近场探针的分布情况，减少照明光在探针两臂的损耗，同时使得局域在针尖的照明光的分布增强（包括表面等离子体共振等），以使更多的光能够耦合到针尖外面，即提高耦合透过效率。而采用直接的调制光场在针尖的分布的方法，还未见到相关报道。本发明从另外一个角度出发，在现有的商用探针的基础上，改变入射光的特性，包括偏振，相位和振幅等，使得该被调制的光场（光波前）同探针耦合后，具有最高的耦合透过效率。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种简单的提高近场扫描光学显微镜耦合透过效率的优化系统及其优化方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，包括计算机、探测器、收集镜、探针、聚焦镜、空间光调制仪器和驱动器，所述计算机、探测器、空间光调制仪器和驱动器组成闭合回路。所述空间光调制仪器用于调制光场分布，包括光场的相位、偏振和振幅分布。本发明无需设计探针尖端的特性，而是在现有的商用探针的基础上，通过引入空间光调制仪器来改变入射光的特性，使得该被调制的光场（光波前）同探针耦合后，具有最高的耦合透过效率。

针对个体差异较大的探针，所述空间光调制仪器是空间光调制器，所述驱动器是空间光调制器驱动器，所述空间光调制器驱动器是一个多通道电压驱动器。所述计算机根据探测器传送的光信号，通过空间光调制器驱动器反馈控制空间光调制器，进一步优化光场分布，自动循环进行，直至找到最优化的光场参数，此时探针具有最高的耦合透过效率。所述反馈控制是通过电压控制实现。

由于工艺上，相位掩膜板可以做到比SLM更高的占空比、透过率、分辨率等参数，所以针对个体差异较小的探针，所述空间光调制仪器是相位掩膜板，其利用自适应或数值模拟的方法设计出相应结构的相位掩膜板，直接将相位掩膜板放置在聚焦镜前面，便可以起到提高耦合透过效率的目的。

所述探测器为光电倍增管、雪崩二极管或电荷耦合器件。

一种近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化方法，包括以下步骤：

（1）判断探针是个体差异较大还是个体差异较小；

（2）如果探针个体差异较大，则采用自适应空间光调制的方法调制光场分布；如果探针个体差异较小，则采用预先设计的特定结构的相位掩膜板的方法调制光场分布。

所述步骤（2）中自适应空间光调制的方法，包括以下步骤：

（2.1）近场扫描光学显微镜的激光通过空间光调制器，空间光调制器调制激光的光场分布；

（2.2）经过调制的激光通过聚焦镜聚焦到探针内；

（2.3）从探针耦合输出的光，由收集镜收集，并用探测器将光信号传至计算机；

（2.4）计算机根据收到的光信号，通过空间光调制器驱动器反馈控制空间光调制器，进一步优化光场分布，返回（2.1），如此循环，直至得到最优化的光场分布，所述最优化的光场分布是指使探针具有最高的耦合透过效率的光场分布。

所述步骤（2）中的相位掩膜板是采用自适应或数值模拟的方法，设计出相应的相位掩膜板结构。

所述光场分布包括相位、偏振和振幅分布。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，结构简单，其本发明的优化方法便于操作，简单易行，摒弃传统的设计探针尖端特性的方法，不需要对探针的形状和材料做任何的改造，大大提高了NSOM照明模式下的耦合透过效率，同时不会降低仪器的其他性能。

附图说明

图1为本发明近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示为一种近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，包括计算机1、探测器7、收集镜6、探针5、聚焦镜4、反射镜和空间光调制仪器2和驱动器3，所述计算机1、探测器7、空间光调制器2和驱动器组成闭合回路。所述探测器7为光电倍增管。所述空间光调制仪器2用于调制光场分布，包括光场的相位、偏振和振幅分布。

根据探针的性质不同，所使用的空间光调制仪器2分为以下两种：

第一种：由于工艺上，相位掩膜板可以做到比SLM更高的占空比、透过率、分辨率等参数，所以针对个体差异较小的探针5，所述空间光调制仪器2是相位掩膜板，利用自适应或数值模拟的方法设计出相应结构的相位掩膜板，直接将相位掩膜板放置在聚焦镜4前面，位置关系如图1所示，入射光的光场分布经过相位掩膜板的调制，即得以优化，此时便达到了提高显微镜耦合透过效率的目的。

第二种：针对个体差异较大的探针5，所述空间光调制仪器2是空间光调制器，所述驱动器3是空间光调制器驱动器，所述空间光调制器驱动器是一个多通道电压驱动器。其优化方法具体包括以下步骤：

（2.1）近场扫描光学显微镜的激光通过空间光调制器，空间光调制器调制激光的光场分布；

（2.2）经过调制的激光通过反射镜反射，经聚焦镜4聚焦到探针5内；

（2.3）从探针5耦合输出的光，由收集镜6收集，并用探测器7将光信号传至计算机1；

（2.4）计算机1根据收到的光信号，通过空间光调制器驱动器反馈控制空间光调制器，进一步优化光场分布，返回（2.1），如此循环，直至得到最优化的光场分布，所述最优化的光场分布是指使探针具有最高的耦合透过效率的光场分布。

所述反馈控制是通过电压控制实现。

Claims (10)

1.一种近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，其特征在于，包括计算机、探测器、收集镜、探针、聚焦镜、空间光调制仪器和驱动器，所述计算机、探测器、空间光调制仪器和驱动器组成闭合回路。

2.根据权利要求1所述的近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，其特征在于，所述空间光调制仪器是空间光调制器，所述驱动器是空间光调制器驱动器，所述空间光调制器驱动器是一个多通道电压驱动器；所述计算机根据探测器传送的光信号，通过空间光调制器驱动器反馈控制空间光调制器。

3.根据权利要求2所述的近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，其特征在于，所述反馈控制是通过电压控制实现。

4.根据权利要求1所述的近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，其特征在于，所述空间光调制仪器是相位掩膜板，其采用自适应或数值模拟的方法设计出相应的结构。

5.根据权利要求1或2或4所述的近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，其特征在于，所述空间光调制仪器用于调制光场的相位、偏振和振幅分布。

6.根据权利要求5所述的近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化系统，其特征在于，所述探测器为光电倍增管、雪崩二极管或电荷耦合器件。

7.一种近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）判断探针是个体差异较大还是个体差异较小；

（2）如果探针个体差异较大，则采用自适应空间光调制的方法调制光场分布；如果探针个体差异较小，则采用预先设计的特定结构的相位掩膜板的方法调制光场分布。

8.根据权利要求7所述的近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化方法，其特征在于，所述步骤（2）中自适应空间光调制的方法，包括以下步骤：

（2.1）近场扫描光学显微镜的激光通过空间光调制器，空间光调制器调制激光的光场分布；

（2.2）经过调制的激光通过聚焦镜聚焦到探针内；

（2.3）从探针耦合输出的光，由收集镜收集，并用探测器将光信号传至计算机；

（2.4）计算机根据收到的光信号，通过空间光调制器驱动器反馈控制空间光调制器，进一步优化光场分布，返回2.1，如此循环，直至得到最优化的光场分布，所述最优化的光场分布是指使探针具有最高的耦合透过效率的光场分布。

9.根据权利要求7所述的近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化方法，其特征在于，所述步骤（2）中的相位掩膜板是采用自适应或数值模拟的方法，设计出相应的相位掩膜板结构，以调制光场分布。

10.根据权利要求7-9任一所述的近场扫描光学显微镜耦合透过效率优化方法，其特征在于，所述光场分布包括相位、偏振和振幅分布。

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