CN102662086B - 基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜 - Google Patents

Abstract

一种基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜，包括：一微纳操作臂；一石英音叉固定于微纳操作臂的前端；一近场光纤探针固定于石英音叉的一个音叉臂上；一样品扫描台位于石英音叉的下方；一正弦信号发生器的信号输出端与石英音叉的输入端相连接；一前置锁相放大器的输入端与石英音叉的输出端相连接；一控制箱其输入端与前置锁相放大器的输出端连接，其一输出端与微纳操作臂的输入端相连接，另一输出端与样品扫描台的输入端相连接；一探测器和/或光源，该探测器和/或光源与近场光纤探针相连接。其既具有超衍射极限的光学分辨能力，同时又具有大范围移动的灵活性和多自由度操作能力，占用空间小，非常便于与其他显微表征手段相结合。

Description

基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜

技术领域

本发明涉及纳米光学技术领域，特别涉及一种基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜。

背景技术

纳米光学的研究对光学技术提出了一系列新的挑战，例如在光学成像领域要求观测更微小的细节，在光学存储领域要求产生更小的记录点，在光学操纵领域要求捕获更细小的微粒，在光谱探测领域要求研究更精细的结构等等。这些挑战的根本要求在于提高光学分辨率，然而衍射极限却严重制约这一进程的发展。探寻突破光学衍射极限已经有很久的历史，至到上世纪末期扫描探针显微镜发明之后才有了比较成熟的技术方法，即扫描近场光学显微镜，其基本原理是通过纳米尺度的近场光纤探针，将样品表面几十纳米范围内携带精细信息的隐失场耦合到远场进行探测，并通过扫描获得超衍射极限分辨率的光学成像，其空间分辨率能达到几十纳米的水平。扫描近场光学显微镜发明之后，性能和功能都得到不断的提高和发展，已经被用于多个前沿研究领域并发挥了重要作用，成为微纳尺度下光学研究的重要技术手段，现在已经有较为成熟的商业产品(如以色列Nanonics、俄罗斯NT-MDT、德国Witec等)。

随着纳米科学研究的不断深入，对纳米材料和器件进行多种信息综合表征的需求日益迫切，因此扫描近场光学显微镜与其它技术方法整合联用成为一个重要的发展方向，对于提高现有的纳米光学表征技术并推动纳米光学研究的发展具有重大意义。目前商用扫描近场光学显微镜普遍存在体积较大、操控不够灵活等问题，因此在与其它技术和设备整合联用时，必需对其灵活性和操纵性进行改善。此外在对纳米材料和器件进行动态检测时，现有的扫描近场光学显微镜形貌成像速度慢、搜索和定位样品效率低，并且成像景深极小(只能获得表面形貌)，无法对结构起伏较大的样品成像，从而妨碍了其应用范围的推广。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜，其既具有超衍射极限的光学分辨能力，同时又具有大范围移动的灵活性和多自由度操作能力，占用空间小，非常便于与其他显微表征手段相结合，形成纳米材料和器件的综合表征测试系统。

为达到上述目的，本发明提供一种基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜，包括：

一微纳操作臂；

一石英音叉，该石英音叉固定于微纳操作臂的前端，该石英音叉包括两个音叉臂和一个输入端及一输出端；

一近场光纤探针，该近场光纤探针固定于石英音叉的一个音叉臂上；

一样品扫描台，该样品扫描台位于石英音叉的下方；

一正弦信号发生器，该正弦信号发生器的信号输出端与石英音叉的输入端相连接；

一前置锁相放大器，该前置锁相放大器的输入端与石英音叉的输出端相连接；

一控制箱，其输入端与前置锁相放大器的输出端连接，其一输出端与微纳操作臂的输入端相连接，另一输出端与样品扫描台的输入端相连接；

一探测器和/或光源，该探测器和/或光源与近场光纤探针相连接；

其中控制箱一方面操纵微纳操作臂携带的近场光纤探针接近置于样品扫描台上的样品的表面，并通过检测石英音叉的振幅变化控制近场光纤探针在垂直方向上保持与样品表面之间的距离恒定，控制箱另一方面驱动样品扫描台带动样品在水平方向上扫描获得样品表面的近场光学和/或近场光谱图像。

本发明具有如下优点：既能够借助近场光学探测方法获得超衍射极限分辨率的光学信息，又能够借助微纳操作臂获得移动尺度大、操作灵活、成像范围广、体积小、结构简单等特性，可高效、直观，准确地进行测量和成像，并且便于与多种显微表征手段相结合，实现对纳米材料和器件的微观形态、物质成分、分子结构和功能的综合表征。

附图说明

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围，其中：

图1是本发明实施例的基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜的结构示意图；

图2是本发明实施例与扫描电子显微镜联用的示意图；

图3是图2中的光纤真空法兰13的示意图；

图4a是本发明实施例与正置光学显微镜联用的示意图；

图4b是本发明实施例与倒置光学显微镜联用的示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜，包括：

一微纳操作臂1；

一石英音叉2，该石英音叉2固定于微纳操作臂1的前端，该石英音叉2包括两个音叉臂和一个输入端及一输出端；

一近场光纤探针3，该近场光纤探针3固定于石英音叉2的一个音叉臂91上，其中近场光纤探针3的材料为石英光纤，通光波长为400nm-1600nm，探针尖端尺寸小于200nm；

一样品扫描台4，该样品扫描台4位于石英音叉2的下方，该样品扫描台4为三维压电陶瓷扫描台；

一正弦信号发生器5，该正弦信号发生器5的信号输出端与石英音叉2的输入端相连接；

一前置锁相放大器6，该前置锁相放大器6的输入端与石英音叉2的输出端相连接；

一控制箱7，其输入端与前置锁相放大器6的输出端连接，其一输出端与微纳操作臂1的输入端相连接，另一输出端与样品扫描台4的输入端相连接；

一探测器和/或光源8，该探测器和/或光源8与近场光纤探针3相连接，所述探测器和/或光源8中的探测器是光电探测器、光功率计、CCD或光谱分析仪，或及其组合，所述探测器和/或光源8中的光源是白光光源、激光二极管或者激光器；

一样品9，该样品9固定在样品扫描台4上；

其中控制箱7一方面操纵微纳操作臂1携带的近场光纤探针3接近置于样品扫描台4上的样品9的表面，并通过检测石英音叉2的振幅变化控制近场光纤探针3在垂直方向上保持与样品9表面之间的距离恒定，控制箱7另一方面驱动样品扫描台4带动样品9在水平方向上扫描获得样品表面的近场光学和/或近场光谱图像。

请参阅图2所示，其是采用图1所示的基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜与一扫描电子显微镜联用的示意图，其中微纳操作臂1、石英音叉2、近场光纤探针3、样品扫描台4和样品9置于扫描电子显微镜真空腔10内电子枪11的下方。正弦信号发生器5、前置锁相放大器6、控制箱7、探测器和/或光源8置于扫描电子显微镜真空腔10外部。通过电真空接头12将微纳操作臂1的输入端与控制箱7的一输出端、石英音叉2的输入端与正弦信号发生器5的输出端、石英音叉2的输出端与前置锁相放大器6的输入端、样品扫描台4的输入端与控制箱7的另一输出端相连。通过光纤真空法兰13将近场光纤探针3与探测器和/或光源8相连。

光纤真空法兰13的具体结构请参阅图3所示。其中14为金属法兰盘，15为中段金属化光纤。

系统工作时，(1)将待测样品9置于扫描电子显微镜真空腔10内，通过电子枪11发射的电子束扫描样品9，获得样品9表面高清晰形态特征；(2)在样品9表面选择待测微区，确定对该区域进行近场光学扫描成像；(3)通过扫描电子显微镜的实时观察，控制微纳操作臂1将近场光纤探针3送至样品9的待测微区附近，并通过旋转微纳操作臂1或样品扫描台4的角度，使样品9的微区表面与近场光纤探针3的扫描平面基本平行；(4)探测器和/或光源8发出的光耦合到近场光纤探针3中，并通过近场光纤探针3形成局域纳米光源，用于激发样品；(5)近场光纤探针3在微纳操作臂1的带动和石英音叉2剪切力反馈控制下，小心逼近样品9的表面。样品9发出的近场光学信号由近场光纤探针3收集，经过尾纤传递出来，再进入探测器和/或光源8中探测；(6)控制样品扫描台4带动样品9在近场光纤探针3下方逐点扫描，即可获得整个微区的近场光学像。通过计算机图形匹配算法可实现对样品表面电子显微图像和近场光学图像的对应指认。

由于近场光纤探针3为导电性极差的二氧化硅构成，探针表面积累的电荷会对扫描电子显微镜的样品成像造成干扰。针对这一问题，可以采取在近场光纤探针3表面喷金、涂抹导电胶或蒸镀金属膜的方法来消除电荷积累，仅在近场光纤探针3的最尖端处留出50-100nm的通光孔径。

由于微纳操作臂1的移动范围极大，能够覆盖半径为12mm、角度为240°的扇形区域，并具有包括轴向转动在内的6维自由度，因此可对不同位置的样品区域进行选择定位，并通过对多幅图像进行配准和拼接，能够实现大范围、多自由度样品扫描成像。

该实施例便于与扫描电子显微镜联合，实现对纳米材料的精细操纵、超高分辨形貌成像和超衍射近场光学联合表征。

请参阅图4a所示，其是基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜与正置光学显微镜联用的示意图。其中在基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜的近场光纤探针3的上方安装了长焦物镜20，长焦物镜20与正置光学显微镜19相连。所述实施例不仅能够实现基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜的全部功能，通过联用正置光学显微镜还能实现更多工作模式。如可以通过正置光学显微镜19和长焦物镜20将激光聚焦到样品上，用近场光纤探针3收集样品9的近场光学信号。也可以用近场光纤探针3局域激发样品，用长焦物镜20收集样品9发出的远场光信号。该实施例适用于不透明样品，所述工作模式均能获得超分辨的光学成像。

请参阅图4b所示，其是基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜与倒置光学显微镜联用的示意图。其中在基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜的样品扫描台4的下方安装了显微物镜22，显微物镜22与倒置光学显微镜21相连。根据所需的光学显微镜放大率，显微物镜22可以选择水浸物镜或油浸物镜。所述实施例不仅能够实现基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜的全部功能，通过联用倒置光学显微镜还能实现更多工作模式。如可以通过倒置光学显微镜21和显微物镜22将激光聚焦到样品上，用近场光纤探针3收集样品9的近场光学信号。也可以用近场光纤探针3局域激发样品，用显微物镜22收集样品9发出的远场光信号。该实施例适用于透明样品，所述工作模式均能获得超分辨的光学成像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜，包括：

一微纳操作臂；

一石英音叉，该石英音叉固定于微纳操作臂的前端，该石英音叉包括两个音叉臂和一个输入端及一输出端；

一近场光纤探针，该近场光纤探针固定于石英音叉的一个音叉臂上；

一样品扫描台，该样品扫描台位于石英音叉的下方；

一正弦信号发生器，该正弦信号发生器的信号输出端与石英音叉的输入端相连接；

一前置锁相放大器，该前置锁相放大器的输入端与石英音叉的输出端相连接；

一控制箱，其输入端与前置锁相放大器的输出端连接，其一输出端与微纳操作臂的输入端相连接，另一输出端与样品扫描台的输入端相连接；

一探测器和/或光源，该探测器和/或光源与近场光纤探针相连接；

其中控制箱一方面操纵微纳操作臂携带的近场光纤探针接近置于样品扫描台上的样品的表面，并通过检测石英音叉的振幅变化控制近场光纤探针在垂直方向上保持与样品表面之间的距离恒定，控制箱另一方面驱动样品扫描台带动样品在水平方向上扫描获得样品表面的近场光学和/或近场光谱图像。

2.如权利要求1所述的基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜，其中样品扫描台为三维压电陶瓷扫描台。

3.如权利要求1所述的基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜，其中探测器和/或光源中的探测器是光电探测器、光功率计、CCD或光谱分析仪，或及其组合。

4.如权利要求1所述的基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜，其中探测器和/或光源中的光源是白光光源、激光二极管或者激光器。

5.如权利要求1所述的基于微纳操作臂的多自由度近场光学显微镜，其中近场光纤探针的材料为石英光纤，通光波长为400nm-1600nm，探针尖端尺寸小于200nm。

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