CN110261066A - 基于剪切干涉的近场显微探测光束定心方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密工程技术领域，具体为一种基于剪切干涉的近场显微探测光束定心方法。方法步骤如下：在原子力显微系统中，从样品下方将激光束聚焦在探针针尖上，入射光束和样品夹角40°~50°；从斜上方安装凸透镜，将散射的发散光束变为近似平行光；然后放置剪切分光板，形成剪切干涉光路，剪切光束和分光板夹角60°~70°；在反射光束上放置探测屏，通过干涉条纹判断探测光束在探针针尖的定心情况。本发明的优点在于，有效利用了激光干涉的高灵敏度，通过剪切干涉的整体条纹图像判断定心偏差；且干涉光束不穿过被测样品，不受样品表面起伏和材料特性的干扰，可以实现探测激光束的准确聚焦，对于提高近场显微测量的效率与精度有重要意义。

Description

基于剪切干涉的近场显微探测光束定心方法

技术领域

本发明属于精密工程技术领域，具体为一种原子力显微镜中近场光学探测光束的定心方法。

背景技术

在现代微纳加工与精密测量中，原子力显微镜是常用的形貌测量与原子操纵工具。对于透明样品，透射式近场光学显微镜可以激发表面等离激元，突破衍射极限，显著提高测量分辨率。于是可以将二者相结合，将激光光束直接照射在原子力针尖上，利用针尖的近场增强效应实现超分辨光学测量的效果。入射光束只有最佳定心在探测针尖上时，光的利用效率才最高，而且出射的波前接近球面波，畸变较小，可以较容易地从探测图像中解析被测样品的信息。但是光束的定心有两个技术难题：

1.信号探测器一般放在与入射激光束对称的一边，也位于样品的下方，也即探测信号同样受到被测样品表面起伏以及折射率变化的影响，所以不能保证探测过程中信号光束一直最佳投射到探测器上，也即探测信号的总能量不能作为在针尖定心的直接判据；

2.从针尖衍射/散射的信号反映了定心的情况，可以利用波前像差作为判据。但是目前常用的Shack-Hartmann波前检测仪结构复杂，而且需要采集多幅图像，实时响应能力较差。况且，这里只需要准确定心，而不需要定量测量衍射波前的情况，所以需要一种更简便快速的、不受被测样品影响的高精度定心判断方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种速度快、精度高，能实现实时响应的原子力显微镜中近场显微探测光束定心方法。

本发明提出的原子力显微镜中近场显微探测光束定心方法，是基于剪切干涉技术的，具体步骤如下：

（1）在原子力显微镜基础上搭建近场光学探测光路，系统分三部分：聚焦光路、探测光路和剪切干涉光路；聚焦光路中包括一凸透镜，设置在样品下方，将激光束发射的平行光由凸透镜聚焦，使其对准探针针尖，入射光束和样品夹角40°~50°；探测光路中包括一信号探测器、一凸透镜，设置在样品的下方，位于聚焦光路对称的位置；从探针针尖衍射的光波在样品表面激励得到表面等离激元，实现超分辨测量；剪切干涉光路中包括依次排布的一凸透镜、一剪切分光板；该剪切干涉光路设置在样品上方，剪切干涉光路和入射光束偏转角大于等于10°（例如，通常取10°~20°），以避免入射光束绕过探针直接进入干涉光路；凸透镜将衍射波前准直为平行光，经过剪切分光板形成干涉；所述剪切分光板前表面镀半透半反膜，后表面镀反射膜；从剪切分光板反射的平行干涉光束投射到一接收屏上，接收干涉条纹；

（2）显微系统空载，撤去被测样品。采用探测光路的信号探测器（传感器）记录探测信号强度；并且撤去干涉光路中的剪切分光板，采用Shack-Hartmann波前检测仪测试波前；当探测信号总能量最强且测试波前最接近回转对称时，说明探测光束在探针的定心位置最佳；当二者不能同时满足时，采用探测信号能力作为粗定心判据，而将波前的对称性作为精定心判据；

（3）在最佳定心位置下，将Shack-Hartmann波前检测仪替换为剪切干涉光路，记录此时的干涉条纹作为参考基准；

（4）进行实际测量时，将记录的干涉条纹基准图像和实时测量的条纹相对比。调整定心位置，直至当前干涉条纹最接近参考条纹。

本发明中，优选将剪切分光板与光束夹角成60°~70º放置；优选剪切板厚度为0.3~2.0 mm，更优选剪切板厚度为0.5~1.0 mm。

本发明中，探测激光采用氦氖激光器，在剪切干涉中具有较好的相干性。剪切干涉的条纹在实际检测过程中采用高速CMOS相机接收干涉图像，可以实现图像的快速记录和定心调整。

本发明的有益效果在于：本发明只在定心标定中利用Shack-Hartmann波前检测仪记录衍射波前，将波前旋转对称性作为判据确定最佳定心位置。而在实际测量中将此状态下的剪切干涉图像作为依据进行定心调整。剪切干涉光路只需要一副剪切分光板，由于不需要参考光束，而且发生干涉的两路光共光路，对环境干扰和振动等因素不敏感，可以在实际测量过程中能保持极高的稳定性和灵敏度。而且干涉光路结构紧凑简单，成本低，便于实际应用。

附图说明

图1为本发明的近场光学探测光路图示。

图2为最佳定心位置时的Shack-Hartmann波前检测仪的波前检测结果。

图3为最佳定心位置时的剪切干涉图像。

图4为偏心时的衍射波前检测结果。

图5为偏心时的剪切干涉图像。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：按照附图1所示，在原子力显微镜基础上搭建探测光路，采用氦氖激光器经过光束准直后，透过被测样品从底部入射，经过凸透镜聚焦在探针针尖处，入射光束和样品台平面夹角50°。在下侧对称的位置放置信号探测器，首先根据探测器中收集的总能量为判断依据进行粗对焦。然后在入射光相对的上方设置剪切干涉光路，剪切光束相对于剪切板夹角60°，相对于入射光束偏转角20°，偏斜量足够避免入射光直接进入干涉光路。将测试样品撤去，空载状态下在剪切干涉光路处利用Shack-Hartmann波前检测仪探测衍射波前。在最佳定心状态下，得到的波前是回转对称的，如图2所示。由于剪切板沿纵向倾斜，因此波前沿纵向剪切，得到的剪切干涉图像沿y方向上下对称，如图3所示。这便是实际定心的参考图像。在测量过程中，如果探针移动导致定心偏移，则衍射波前就会偏离回转对称状态，如图4所示即为偏离10μm时的衍射波前。必然导致干涉图像不再上下对称，如图5所示。对位移的探测灵敏度受剪切量影响，进而取决于剪切板倾角以及剪切板厚度。这里光束和剪切板夹角60°，剪切板厚度为1.0 mm。为了便于判断定心偏移方向和距离，在测量之前对系统进行标定，从最佳定心位置偏移不同距离，记录各个位置的干涉图像，建立图像库，然后在实际测量过程中进行图像对比，以此判断偏心方向与距离。

Claims (2)

1.一种基于剪切干涉的近场显微测量探测光束定心方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）在原子力显微镜基础上搭建近场光学探测光路，系统分三部分：聚焦光路、探测光路和剪切干涉光路；聚焦光路中包括一凸透镜，设置在样品下方，将激光束发射的平行光由凸透镜聚焦，使其对准探针针尖，入射光束和样品夹角40°~50°；探测光路中包括一信号探测器、一凸透镜，设置在样品的下方，位于聚焦光路对称的位置；从探针针尖衍射的光波在样品表面激励得到表面等离激元，实现超分辨测量；剪切干涉光路中包括依次排布的一凸透镜、一剪切分光板；该剪切干涉光路设置在样品上方，剪切干涉光路和入射光束偏转角大于等于10°；凸透镜将衍射波前准直为平行光，经过剪切分光板形成干涉；所述剪切分光板前表面镀半透半反膜，后表面镀反射膜；从剪切分光板反射的平行干涉光束投射到一接收屏上，接收干涉条纹；

（2）显微系统空载，撤去被测样品；采用探测光路的信号探测器记录探测信号强度；并且撤去干涉光路中的剪切分光板，采用Shack-Hartmann波前检测仪测试波前；当探测信号总能量最强且测试波前最接近回转对称时，说明探测光束在探针的定心位置最佳；当二者不能同时满足时，采用探测信号能力作为粗定心判据，而将波前的对称性作为精定心判据；

（3）在最佳定心位置下，将Shack-Hartmann波前检测仪替换为剪切干涉光路，记录此时的干涉条纹作为参考基准；

（4）进行实际测量时，将记录的干涉条纹基准图像和实时测量的条纹相对比；调整定心位置，直至当前干涉条纹最接近参考条纹。

2.根据权利要求1所述的基于剪切干涉的近场显微测量探测光束定心方法，其特征在于，所述剪切分光板与光束夹角成60º-70º放置；剪切板厚度为0.3~2.0 mm。