CN104819767A - 一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，包括光入射组件、第一干涉臂光路检测组件和第二干涉臂光路检测组件，激光经格兰泰勒棱镜后，成为线偏振激光，经球形分光镜组，改变偏振激光方向，经第一会聚透镜和双方解石光束偏移器，线偏振激光分光成偏振方向相互垂直的两束线偏振光垂直入射到微悬臂梁的尖端上。两束线偏振光经微悬臂梁反射后，再经球形分光镜组分成两束偏振光，最终得到的四束线偏振光在四个光电二极管上发生干涉。本发明所述的测量装置采用双方解石光束偏移器，解决了现有技术中的测量装置光学部件机械振动大的问题。

Description

一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置
技术领域
本发明涉及一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，属于光学测量技术领域。
背景技术
原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)是一种研究材料表面结构的高精密分析仪器，广泛应用于材料、化学、生物科技、纳米技术等领域，通过检测待测样品与微力敏元件之间极其微小的原子间作用力来研究物质表面结构和性质。它的主要结构之一为微悬臂梁，微悬臂梁针尖与样品的相互作用使得微悬臂梁发生形变，使原子力显微镜可以对极小的作用力进行测量。
热噪声带来的微悬臂梁的振动—热机械振动，是影响原子力显微镜分辨率的一个重要因素，对热机械振动的测量和研究将有助于了解其振动规律，对提高原子力显微镜的分辨率，设计下一代新型高分辨原子力显微镜具有指导意义。然而传统型原子力显微镜由于其结构设计，使它的背景噪声(电子噪声、散射噪声等)信号远高于热机械振动信号，在这种情况下，大部分频率的热机械振动信号即淹没于设备的背景噪声中，导致目前原子力显微镜技术无法对热机械振动进行有效的测量和研究。
有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，采用双方解石光束偏移器，解决了现有技术中的测量装置光学部件机械振动大带来的噪声问题。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，包括光入射组件、第一干涉臂光路检测组件和第二干涉臂光路检测组件，其中，所述光入射组件包括激光器，依次设置在激光器光路传播方向上的起偏器、棱镜、第一玻片、球形分光镜组、第一会聚透镜和双方解石光束偏移器，微悬臂梁置于第一会聚透镜的焦平面上，激光器的激光经过起偏器起偏后进入棱镜成为线偏振光，接着经过第一玻片进入球形分光镜组中，经球形分光镜组后，线偏振光改变入射方向，先经第一会聚透镜会聚，然后经双方解石光束偏移器后分光成偏振方向相互垂直的两束偏振光，入射到微悬臂梁的尖端，微悬臂梁受到热噪声的激励产生热机械振动，使入射到其尖端的两束偏振光产生额外相位差，两束偏振光经微悬臂梁反射后依次经过双方解石光束偏移器、第一会聚透镜到达球形分光镜组，接着经球形分光镜组分为两束偏振光，两束偏振光分别经第一干涉臂光路检测组件、第二干涉臂光路检测组件中的分光镜分光成四束偏振光，四束偏振光分别投射到四个光电二极管中，进行相位差测量。
作为优选，所述第一干涉臂光路检测组件包括依次设置在光路传播方向上的第二玻片、第二会聚透镜、第一分光镜和2个并联的光电二极管。
作为优选，所述第二干涉臂光路检测组件包括依次设置在光路传播方向上的第三会聚透镜、第二分光镜和2个并联的光电二极管。
作为优选，所述第一分光镜和第二分光镜均采用为方解石光束偏移器。
作为优选，所述激光器为波长为630nm的He-Ne激光器。
作为优选，所述棱镜为格兰泰勒棱镜。
作为优选，所述球形分光镜组由2个球形分光镜组成。
作为优选，所述双方解石光束偏移器包括2个上下叠放的方解石光束偏移器，2个方解石光束偏移器光轴之间呈45°夹角，单个方解石光束偏移器的厚度为1mm，线偏振光经过双方解石光束偏移器分成两束偏振光，两束偏振光出光角度为2°，两束偏振光水平间距为140um，所述双方解石光束偏移器的光轴较之入射偏振光的偏振方向呈45°。
作为优选，所述线偏振光经双方解石光束偏移器后产生两束偏振光垂直入射到微悬臂梁的尖端上。
作为优选，双方解石光束偏移器位于微悬臂梁与第一会聚透镜之间且为不可移动。
作为优选，所述线偏振光所经第一会聚透镜的焦距为30mm。
作为优选，所述第一玻片为二分之一玻片，第二玻片为四分之一玻片。
作为优选，第一分光镜器第二分光镜采用方解石光束偏移器，所述方解石光束偏移器的光轴较之双方解石光束偏移器的光轴转动45°。
作为优选，第一分光镜器第二分光镜分光后，两束偏振光分别投射到2个光电二极管上，两束偏振激光的水平距离为0.5mm。
本发明所述的低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其激光经格兰泰勒棱镜后，成为线偏振激光，经球形分光镜组，改变偏振激光方向，经第一会聚透镜和双方解石光束偏移器，线偏振激光分光成偏振方向相互垂直的两束线偏振光垂直入射到微悬臂梁的尖端上。两束线偏振光经微悬臂梁反射后，再经球形分光镜组分成两束偏振光，最终得到的四束线偏振光在四个光电二极管上发生干涉。本发明采用激光正交相位差分干涉的方法将微悬臂梁因热噪声而产生的热振动振幅转换为两束相互干涉的反射线偏振光的相位差的方式来实现测量。且两束检测偏振光以差分输入的方式输入至干涉臂光路检测组件转换为电信号。差分输入可将两束反射线偏振光内由于背景噪声所产生的信号相互抵消，降低背景噪声的干扰，实现高精度直接测量微悬臂梁的热振动信号。
此外，上述结构的低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，采用双方解石光束偏移器，在振动功率谱密度曲线的低频区域减少了光学部件(如棱镜等)带来的机械振动，降低了背景噪声，测量得到平滑的热机械振动信号曲线。可实现更高精度测量，背景噪声在功率谱密度上低至1×10-28m2/Hz，比目前现有技术中的原子力显微镜可测量的背景噪声降低4个数量级，实现对微悬臂梁的热机械振动信号进行直接测量，不需要从四象限光电信号到振动位移信号的转换因子，体现出该发明装置高精度和实用性的特点。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本实施例的低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置光路图；
图2为本实施例的光入射组件局部光路图；
图3本实施例装置测得的热机械振动信号的功率谱密度与目前商用原子力显微镜背景噪声的对比图。
具体实施方式
如图1-2所示，一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，包括光入射组件1、第一干涉臂光路检测组件2和第二干涉臂光路检测组件3，其中，所述光入射组件包括激光器11，依次设置在激光器11光路传播方向上的起偏器12、格兰泰勒棱镜13、第一玻片14、球形分光镜组15、第一会聚透镜16和双方解石光束偏移器17，微悬臂梁4置于第一会聚透镜16的焦平面上，在本实施例中，所述激光器11为波长为630nm的He-Ne激光器激，光在入射到格兰泰勒棱镜13前，先经过起偏器12进行起偏成为偏振光。第一玻片14为二分之一玻片，第一玻片14主要用于调节入射到微悬臂梁4的两束偏振光的相对光强；球形分光镜组15由2个球形分光镜组成，所述双方解石光束偏移器17包括2个上下叠放的方解石光束偏移器，2个方解石光束偏移器光轴之间呈45°夹角，单个方解石光束偏移器的厚度为1mm，线偏振光经过双方解石光束偏移器17分成两束偏振光，两束偏振光出光角度为2°，两束偏振光水平间距为140um，所述双方解石光束偏移器17的光轴较之入射偏振光的偏振方向呈45°。所述线偏振光经双方解石光束偏移器17后产生两束线偏振光(Etip1和Etip2)垂直入射到微悬臂梁4的尖端41上。双方解石光束偏移器17位于微悬臂梁4与第一会聚棱镜16之间且为不可移动。。为增加入射至微悬臂梁的尖端上的光强，可设置第一会聚透镜16的焦距为25毫米～35毫米。在本实施例中，所述线偏振光所经第一会聚透镜16的焦距为30mm。
上述光入射组件的工作原理：激光器11的激光经过起偏器12起偏后进入格兰泰勒棱镜13成为偏振度较高的线偏振光，接着经过第一玻片14进入球形分光镜组15中，经球形分光镜组15后，线偏振光改变入射方向，先经第一会聚透镜16会聚，然后经双方解石光束偏移器17后分光成偏振方向相互垂直的两束偏振光，分别垂直入射到微悬臂梁4的尖端41上，微悬臂梁4受到热噪声的激励产生热机械振动，使其尖端41的反射的两束偏振光Etip1和Etip2产生额外相位差，两束偏振激光经微悬臂梁反射后依次经过双方解石光束偏移器17、第一会聚透镜16会聚呈一束激光，接着经球形分光镜组15分为两束偏振光。
所述第一干涉臂光路检测组件2包括依次设置在光路传播方向上的第二玻片21、第二会聚透镜22、第一分光镜23和2个并联的光电二极管D1、D2。其中，第二玻片21为四分之一玻片。所述第二干涉臂光路检测组件3包括依次设置在光路传播方向上的第三会聚透镜31、第二分光镜32和2个并联的光电二极管D3、D4。在本实施例中，所述第一分光镜23和第二分光镜32具体为方解石光束偏移器，其光轴较之双方解石光束偏移器17的光轴转动45°；在干涉臂中，偏振光经方解石光束偏移器分光后，两束偏振光分别投射到2个光电二极管上，两束偏振激光的水平距离为0.5mm。
上述第一干涉臂光路检测组件2和第二干涉臂光路检测组件3工作原理：球形分光镜组15射出的两束偏振光一束入射到第一干涉臂光路检测组件2，依次经过第二玻片21、第二会聚透镜22、第一分光镜23分为2束偏振光入射到光电二极管D1、D2；另一束入射到第二干涉臂光路检测组件3，依次经过第三会聚透镜31、第二分光镜32分为2束偏振光入射到光电二极管D3、D4。光电检测电路将光信号转换为电信号后，通过计算两路电信号来得到两束反射线偏振光的相位差。相位差的计算可采用快速傅里叶变换的方法在MATLAB等仿真软件中计算得到。并根据公式得到微悬臂梁的热振动振幅，从而得到其热振动功率谱。其中为微悬臂梁尖端两束反射偏振光的相位差，λ为激光的波长，d为微悬臂梁热振动的振幅。
第二玻片21的作用是将会聚到微悬臂梁尖端41的偏振光的相位人为附加目的是使最终两干涉臂光电二极管的光强对比度成为模为2π的圆，其极角为反射偏振光Etip和Eref的相位差。
如图1-2所示，包含有偏振方向为方向和方向的入射线偏振光的光强为经球形分光镜组15改变入射方向后变为并经双方解石光束偏移器17后形成振动方向沿方向的第一入射线偏振光Etip1振动方向沿方向的第二入射线偏振光Etip2。其中，第一入射线偏振光Etip1入射到微悬臂梁的尖端上，而第二入射线偏振光Etip2入射到微悬臂梁的尖端和基片之间。微悬臂梁的尖端因热振动使得第一入射线偏振光Etip1的反射光较第二入射线偏振光Etip2的反射光产生相位差。两束反射线偏振光汇聚在一起后的光强为经球形分光镜组15后，两束检测偏振光的光强为在干涉臂中，两光电二极管的光强可表示为：
n为干涉臂(n＝1,2)，ψ1＝0(无四分之一玻片)，(有四分之一玻片)。每一干涉臂的光强对比度为：
即最终测量得到的是一个模为2π的单位圆，其极角即为两束反射线偏振光的相位差。通过测量单位圆的极角直接得到微悬臂梁热机械振动位移的信息。不同于传统原子力显微镜只一束激光通过一定角度聚焦在微悬臂梁尖端对其形变进行测量，本发明提出用两束线偏振激光分别垂直会聚在微悬臂梁上，微悬臂梁的热机械振动使会聚在尖端的偏振光相对于另一偏振光产生额外的相位差，后通过两束反射偏振光的干涉，实现了对原子力显微镜微悬臂梁热机械振动信号的高精度直接测量，图3为本发明装置测得的热机械振动信号的功率谱密度图，可以看出基于本发明专利激光正交相位差分干涉方法对微悬臂梁热机械振动信号测量的背景噪声低至1×10-28m2/Hz，至少比目前商用产品低4个数量级，而且在1～1kHZ之间的曲线更光滑，在对热噪声的分辨率上处于高精水准，居于行业世界领先水平。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：包括光入射组件、第一干涉臂光路检测组件和第二干涉臂光路检测组件，其中，所述光入射组件包括激光器，依次设置在激光器光路传播方向上的起偏器、棱镜、第一玻片、球形分光镜组、第一会聚透镜和双方解石光束偏移器，微悬臂梁置于第一会聚透镜的焦平面上，激光器的激光经过起偏器起偏后进入棱镜成为线偏振光，接着经过第一玻片进入球形分光镜组中，经球形分光镜组后，线偏振光改变入射方向，先经第一会聚透镜会聚，然后经双方解石光束偏移器后分光成偏振方向相互垂直的两束偏振光，入射到微悬臂梁的尖端上，微悬臂梁受到热噪声的激励产生热机械振动，使入射到其尖端的两束偏振光产生额外相位差，两束偏振光经微悬臂梁反射后依次经过双方解石光束偏移器、第一会聚透镜到达球形分光镜组，接着经球形分光镜组分为两束偏振光，两束偏振光分别经第一干涉臂光路检测组件、第二干涉臂光路检测组件中的分光镜分光成四束偏振光，四束偏振光分别投射到四个光电二极管中，进行相位差测量。
2.如权利要求1所述的一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：所述第一干涉臂光路检测组件包括依次设置在光路传播方向上的第二玻片、第二会聚透镜、第一分光镜和2个并联的光电二极管；所述第二干涉臂光路检测组件包括依次设置在光路传播方向上的第三会聚透镜、第二分光镜和2个并联的光电二极管。
3.如权利要求2所述的一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：第一分光镜器第二分光镜均采用方解石光束偏移器，所述方解石光束偏移器的光轴较之双方解石光束偏移器的光轴转动45°。
4.如权利要求2所述的一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：第一分光镜器、第二分光镜分光后，两束偏振光分别投射到2个光电二极管上，两束偏振光的水平距离为0.5 mm。
5.如权利要求1所述的一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：所述激光器为He-Ne激光器；所述棱镜为格兰泰勒棱镜。
6.如权利要求1所述的一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：所述球形分光镜组由2个球形分光镜组成；所述第一玻片为二分之一玻片。
7.如权利要求1所述的一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：所述双方解石光束偏移器包括2个上下叠放的方解石光束偏移器，2个方解石光束偏移器光轴之间呈45°夹角，单个方解石光束偏移器的厚度为1 mm，线偏振光经过双方解石光束偏移器分成两束偏振光，两束偏振光出光角度为2°，两束偏振光水平间距为140 um，所述双方解石光束偏移器的光轴较之入射偏振光的偏振方向呈45°。
8.如权利要求1所述的一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：所述双方解石光束偏移器位于微悬臂梁与第一会聚透镜之间且为不可移动；线偏振光经双方解石光束偏移器后产生两束偏振光垂直入射到微悬臂梁的尖端上。
9.如权利要求1所述的一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于： 所述线偏振光所经第一会聚透镜的焦距为30 mm。
10.如权利要求2所述的一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：所述第二玻片为四分之一玻片。
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