CN104833411A - 一种高精度微悬臂梁热振动信号测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度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和基片上。两束线偏振光经平面镜反射、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解决了应力弯曲的微悬臂梁对偏振激光的散射问题，保证了两束偏振激光在干涉区域的重叠光强，提高了干涉对比度，降低了装置对应力弯曲微悬臂梁背景噪声的测量。

Description

一种高精度微悬臂梁热振动信号测量装置

技术领域

本发明涉及一种高精度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。另一方面，为提高微悬臂表面对激光的反射率，提高光电二极管的光电转换效率，常需在微悬臂梁表面镀一层金属反射薄膜，然而金属薄膜与微悬臂梁之间的应力导致微悬臂梁具有一定程度的弯曲，导致会聚到微悬臂梁上的激光不能沿原光路返回或呈现一定的偏移，降低了光强转换效率，增加了装置的电子噪声，提高了装置对微悬臂梁热机械振动背景噪声，从而降低装置分辨率。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种高精度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高精度微悬臂梁热振动信号测量装置，采用双方解石光束偏移器，在反射光路中加入平面镜对偏振激光进行反射，解决了应力弯曲的微悬臂梁对偏振激光的散射问题，保证了两束偏振激光在干涉区域的重叠光强，提高了干涉对比度，降低了装置对应力弯曲微悬臂梁背景噪声的测量。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种高精度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、双方解石光束偏移器和平面镜，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，分别入射到微悬臂梁的尖端和基片上，微悬臂梁受到热噪声的激励产生热机械振动，使入射到其尖端和基片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、第一会聚透镜到达平面镜，经平面镜反射后，沿原光路折回，再次经微悬臂梁反射、双方解石光束偏移器分光、第一会聚透镜会聚呈一束激光，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，所述平面镜通过转轴活动安装在第一会聚透镜上方，平面镜可根据两束偏振光的入射角度通过转轴调整其倾斜度，保证入射光线按原光路折回到微悬臂梁的尖端和基片。

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和基片上。

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。

本发明所述的高精度微悬臂梁热振动信号测量装置主要应用于因表面镀膜应力导致的具有一定弯曲角度的微悬臂梁，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和基片上。两束线偏振光经平面镜反射、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。

上述结构的高精度微悬臂梁热振动信号测量装置，加入平面镜后，偏振光的光程差是微悬臂梁振动位移的4倍，即为相位差，d为微悬臂梁的振动幅度，λ为激光波长。解决了应力弯曲的微悬臂梁对偏振激光的散射问题，保证了两束偏振激光在干涉区域的重叠光强，提高了干涉对比度，降低了装置对应力弯曲微悬臂梁背景噪声的测量。通过与镀金属薄膜的微悬臂梁热机械噪声功率谱密度曲线的对比，本发明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，比未考虑应力弯曲微悬臂梁的功率谱密度背景噪声提高1个数量级，比传统原子力显微镜可测量的背景噪声提高4个数量级(以m²/Hz为单位)，可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为本实施例的高精度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为本实施例的光入射组件局部光路图(侧视图)；

图4为考虑微悬臂梁应力弯曲的热机械噪声功率谱曲线背景噪声与未考虑此情况的背景噪声对比图。

具体实施方式

如图1-3所示，一种高精度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、双方解石光束偏移器17和平面镜18，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采用波长为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垂直入射到微悬臂梁4的尖端41(E_tip)和基片42(E_ref)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。所述平面镜18通过转轴19活动安装在第一会聚透镜16上方，转轴与X向平行，平面镜18可根据两束偏振光的入射角度调整其倾斜度，倾斜度一般为0～5°，用于保证入射光线按原光路折回到微悬臂梁的尖端41和基片42。

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和基片42上，微悬臂梁4受到热噪声的激励产生热机械振动，使入射到其尖端41和基片42的两束偏振光E_tip和E_ref反射后产生额外相位差，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到达平面镜18，经平面镜18反射后，沿原光路折回，再次经微悬臂梁4反射、双方解石光束偏移器17分光、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E_tip和E_ref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和振动方向沿方向的第二入射线偏振光E_ref。其中，第一入射线偏振光E_tip1入射到微悬臂梁的尖端上，而第二入射线偏振光E_ref入射到微悬臂梁的基片上。微悬臂梁的尖端因热振动使得第一入射线偏振光E_tip的反射光较第二入射线偏振光E_ref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入射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4为本发明专利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在功率谱密度上低至1×10^-28m²/Hz，比未考虑应力弯曲微悬臂梁的功率谱密度背景噪声提高1个数量级，比传统原子力显微镜可测量的背景噪声提高4个数量级(以m²/Hz为单位)，在1Hz-40kHz频率区间上实现了对热机械振动信号的测量。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)

1.一种高精度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、双方解石光束偏移器和平面镜，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，分别入射到微悬臂梁的尖端和基片上，微悬臂梁受到热噪声的激励产生热机械振动，使入射到其尖端和基片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、第一会聚透镜到达平面镜，经平面镜反射后，沿原光路折回，再次经微悬臂梁反射、双方解石光束偏移器分光、第一会聚透镜会聚呈一束激光，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所述的一种高精度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所述的一种高精度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°；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0.5 mm。

4.如权利要求1所述的一种高精度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。

5.如权利要求1所述的一种高精度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。

6.如权利要求1所述的一种高精度微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于：所述平面镜通过转轴活动安装在第一会聚透镜上方，平面镜可根据两束偏振光的入射角度调整其倾斜度，保证入射光线按原光路折回到微悬臂梁的尖端和基片。

7.如权利要求1所述的一种高精度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所述的一种高精度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和基片上。

9.如权利要求1所述的一种高精度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所述的一种高精度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。