CN102621351A - 一种扫描近场光学显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及显微成像领域。本发明提供一种扫描近场光学显微镜，包括真空腔体和光纤探针扫描装置系统，所述光纤探针扫描装置系统位于真空腔体中，所述光纤探针扫描单元包括一光纤探针，一支撑架和一光纤定位槽，所述光纤定位槽位于支撑架上，所述光纤探针的尾端固定于光纤定位槽上，所述光纤探针扫描装置系统包括多个光纤探针扫描单元。本发明的优点在于，通过在真空腔体内设置多个光纤探针扫描单元，从而避免更换光纤探针所面临的巨大的人力、物力和时间的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及显微成像领域，尤其涉及一种扫描近场光学显微镜。
背景技术
近场光学是指光探测器及探测器和样品间距均小于辐射波长条件下的光学现象。扫描近场光学显微技术兴起于20世纪80年代，并不断快速发展，是一种新型超高分辨率显微成像技术，是扫描探针技术和光学显微技术相结合的一种光学成像领域的新技术，是近场光学中的一个重要组成部分。
在近场光学显微镜中，传统光学仪器的镜头被细小的光学探针所代替，其尖端的孔径远小于光的波长，从而突破了传统光学系统中存在的光学成像空间分辨率的衍射极限，达到了普通光学显微镜无法达到的纳米数量级的空间分辨率。
在实际应用中，处于大气环境中的固体表面往往容易吸附各种杂质，或和周围气体进行化学反应形成表面薄层，如氧化物、硫化物或其它化合物。即使在低真空下，刚刚解理的新鲜固体表面也会很快吸附上其它原子。因此，为了观察无氧化层和吸附层的干净样品表面，通常采用将样品置于超高真空环境下，利用离子轰击，退火等多种方法清洁样品表面，并可长时间保持洁净。所以很有必要在超高真空环境下使用近场光学显微镜对样品进行检测。
在超高真空环境下使用扫描近场光学显微镜主要涉及两个关键问题：针尖-样品间距离的控制及如何将光纤探针采集到的光学信号耦合到真空腔体之外。对于针尖-样品间距离的控制，目前商用的原子力显微镜大多采用光杠杆控制，即使用一束激光照射在探针悬臂梁上，反射光束偏转用一个PSD四象限位置检测器接收，光斑移动表征了悬臂偏转位置的变化即振幅的大小改变，用这种方法的原子力显微镜可以获得0.01nm的分辨率。但在超高真空系统中，由于传统的光杠杆控制系统较大不适合放置于真空系统中，此外激光的照射容易对近场光学信号产生较大干扰。因此，利用光杠杆控制距离并不是最适合超高真空扫描近场光学显微镜。在目前现有的超高真空扫描近场光学显微镜系统中，常见的针尖-样品间距控制方式主要有两种。一种是利用石英音叉驱动光纤探针控制针尖-样品间距。光纤探针固定于石英音叉的其中一臂，音叉受压电陶瓷片的驱动而作微小的振动并产生一定的振幅，光纤探针音叉的振动而作上下的规则振动。由于石英音叉本身具有压电特性，因此在受到振动时也会产生压电信号，通过检测石英音叉的压电信号即可得到音叉的振动振幅大小，将此信号利用锁相放大器和输入信号作相位的比较，作为距离控制的反馈信号。但是在超高真空系统中，该法存在的缺点是，粘附在音叉上的光纤探针必须通过真空腔体上光纤连接头才能和腔体外的激发和探测光路耦合。也就是说，不论光纤探针接收到的近场光信号输出到真空腔体外，还是利用光纤探针输出到样品表面的光学激发信号，都必须通过光纤连接头。但是，众所周知，光纤探针非常容易损伤。对于常见的超高真空扫描近场光学显微镜系统而言，必须将整个真空腔体打开，才能换上新的探针，并将光纤探针后端插入光纤连接头，以保证信号传输正常。然而，真空腔体一旦打开，要想恢复超高真空环境，首先必须进行抽真空、长时间加热烘烤等一系列工作，耗费大量的人力、时间和物力。另一种是利用隧道电流控制针尖-样品间距。首先在光纤探针表面蒸镀一定厚度的金属膜或ITO（Indium tin oxide，氧化铟锡）等导电层，在针尖和样品间施加一定偏压，当镀膜光纤探针在接近样品表面一定距离时，由于电子的隧穿效应将产生隧道电流。隧道电流对于针尖-样品距离非常敏感，0.1nm的起伏，就将导致1个数量级的隧道电流的变化。利用反馈系统控制隧道电流的变化，就能有效控制针尖-样品的间距。该法的主要缺点是只能研究导电样品的表面性质，无法研究半导体和绝缘体的表面特性。此外，其同样存在通过光纤连接头连接真空腔体内外，同样存在更换探针所面临的巨大的人力，物力和时间的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种扫描近场光学显微镜。
为了解决上述问题，本发明提供了一种扫描近场光学显微镜，包括真空腔体和光纤探针扫描装置系统，所述光纤探针扫描装置系统位于真空腔体中，所述光纤探针扫描单元包括一光纤探针，一支撑架和一光纤定位槽，所述光纤定位槽位于支撑架上，所述光纤探针的尾端固定于光纤定位槽上，所述光纤探针扫描装置系统包括多个光纤探针扫描单元。
所述光纤探针扫描单元进一步包括一双压电陶瓷晶片，一石英音叉和一针尖底座，所述双压电陶瓷晶片一端通过支撑架和针尖底座相连，所述石英音叉的上臂黏附于双压电陶瓷晶片另一端的下方，所述石英音叉的下臂黏附光纤探针的中间部分。
扫描近场光学显微镜进一步包括光学聚焦系统，所述真空腔体包括一光窗，所述光窗位于真空腔体上，所述光学聚焦系统位于真空腔体外，所述光纤探针扫描单元和光学聚焦系统通过光窗以形成光学相连。
所述光学聚焦系统包括一光学镜系统、一平行光束装置和一三维精密移动台，所述光学镜系统位于三维精密移动台上。
所述光纤探针扫描单元和光学聚焦系统通过光窗以形成的光学相连为，所述平行光束装置产生一平行光束并通过光学镜系统经由光窗照射到真空腔体的内部。
所述光学镜系统为长工作距离物镜、聚焦透镜中任意一个或两者的混合系统。
所述真空腔体还包括一机械手，位于所述真空腔体内。
当光纤探针扫描单元的光纤探针损坏后，可通过所述机械手将已损坏光纤探针的光纤探针扫描单元取下，并换上另一光纤探针完好的光纤探针扫描单元。
所述真空腔体的真空范围为10-6~10-10帕斯卡。
本发明的优点在于，通过在真空腔体内设置多个光纤探针扫描单元，从而避免更换光纤探针所面临的巨大的人力、物力和时间的浪费。
附图说明
图1是本发明提供的一种扫描近场光学显微镜实施例一的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种扫描近场光学显微镜的具体实施方式做详细说明。
图1所示为本发明所述扫描近场光学显微镜的一实施例的结构示意图。
一种扫描近场光学显微镜，包括光纤探针扫描系统、光学聚焦系统和超高真空腔体7。该光纤探针扫描系统位于超高真空腔体内。该光纤探针扫描系统包括多个光纤探针扫描单元，以方便更换。因此，更换光纤探针扫描单元时不需打开超高真空腔体7，可以保持超高真空腔体7的超高真空环境，不用进行抽真空、长时间加热烘烤等一系列工作，从而避免耗费大量的人力、时间和物力。
每个光纤探针扫描单元包括一双压电陶瓷晶片1，一石英音叉2，一光纤探针3，一支撑架4，一光纤定位槽5和一针尖底座6。双压电陶瓷晶片1一端通过支撑架4和针尖底座6相连，石英音叉2上臂黏附于双压电陶瓷晶片1另一端的下方，石英音叉2下臂黏附光纤探针3中间部分，光纤探针3尾端固定于支撑架4的光纤定位槽5上。
光学聚焦系统包括光学镜系统9、平行光束装置10和三维精密移动台11。光学镜系统9置于三维精密移动台11上。平行光束装置10产生一平行光束并通过光学镜系统9经由超高真空腔体7上的光窗8照射到超高真空腔体7内部。
本实施例中的平行光束装置10可产生平行光束，可以通过激光器和扩束器组合而成，还可以通过准直器等。本发明中的平行光束装置10不限于以上提及的装置。
所述超高真空腔体7的真空范围为10-6~10-10帕斯卡。
根据超高真空腔体7内光纤探针3尾端的位置自由移动并微调三维精密移动台11以便找到最佳聚焦位置，同时调整光学镜系统9的焦点，使得光学镜系统9的焦点定位于超高真空腔体7内的光纤探针3的尾端。
当光纤探针3损坏后，可通过超高真空腔体7内通常配置的机械手将已损坏光纤探针3的光纤探针扫描单元取下，并换上预先放置的光纤探针3完好的光纤探针扫描单元。然后根据换上的光纤探针扫描单元的光纤探针3的尾端位置自由移动并微调三维精密移动台11以便找到最佳聚焦位置，同时调整光学镜系统9的焦点，使得光学镜系统9的焦点定位于超高真空腔体7内换上的光纤探针3的尾端。
本实施例中，所述光学镜系统9为为长工作距离物镜、聚焦透镜中任意一个或两者的混合系统。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种扫描近场光学显微镜，包括真空腔体和光纤探针扫描装置系统，所述光纤探针扫描装置系统位于真空腔体中，其特征在于，所述光纤探针扫描单元包括一光纤探针，一支撑架和一光纤定位槽，所述光纤定位槽位于支撑架上，所述光纤探针的尾端固定于光纤定位槽上，所述光纤探针扫描装置系统包括多个光纤探针扫描单元。
2.根据权利要求1所述的扫描近场光学显微镜，其特征在于，所述光纤探针扫描单元进一步包括一双压电陶瓷晶片，一石英音叉和一针尖底座，所述双压电陶瓷晶片一端通过支撑架和针尖底座相连，所述石英音叉的上臂黏附于双压电陶瓷晶片另一端的下方，所述石英音叉的下臂黏附光纤探针的中间部分。
3.根据权利要求1所述的扫描近场光学显微镜，其特征在于，进一步包括光学聚焦系统，所述真空腔体包括一光窗，所述光窗位于真空腔体上，所述光学聚焦系统位于真空腔体外，所述光纤探针扫描单元和光学聚焦系统通过光窗以形成光学相连。
4.根据权利要求3所述的扫描近场光学显微镜，其特征在于，所述光学聚焦系统包括一光学镜系统、一平行光束装置和一三维精密移动台，所述光学镜系统位于三维精密移动台上。
5.根据权利要求4所述的扫描近场光学显微镜，其特征在于，所述光纤探针扫描单元和光学聚焦系统通过光窗以形成的光学相连为，所述平行光束装置产生一平行光束并通过光学镜系统经由光窗照射到真空腔体的内部。
6.根据权利要求4所述的扫描近场光学显微镜，其特征在于，所述光学镜系统为为长工作距离物镜、聚焦透镜中任意一个或两者的混合系统。
7.根据权利要求3所述的扫描近场光学显微镜，其特征在于，所述真空腔体还包括一机械手，位于所述真空腔体内。
8.根据权利要求7所述的扫描近场光学显微镜，其特征在于，当光纤探针扫描单元的光纤探针损坏后，可通过所述机械手将已损坏光纤探针的光纤探针扫描单元取下，并换上另一光纤探针完好的光纤探针扫描单元。
9.根据权利要求3所述的扫描近场光学显微镜，其特征在于，所述真空腔体的真空范围为10-6~10-10帕斯卡。
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