CN111337712B - 真空原子力显微镜的耦合系统及真空原子力显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真空原子力显微镜的耦合系统及真空原子力显微镜。该耦合系统包括：真空室；激励光源，位于所述真空室外，发射激励激光用于使探针振动；检测光源，位于所述真空室外，发射检测激光用于检测所述探针偏转信息；光线传输装置，部分设置于所述真空室外，部分设置于所述真空室外，所述光线传输装置可将接收所述激励激光与所述检测激光，所述光线传输装置还可传输所述探针反射的所述激励激光与所述检测激光，并偏转走所述激励激光；光电位置转换器，用于接收所述检测激光，并根据所述检测激光计算所述探针的受力。实现真空环境下的可靠测量，降低测量过程中的噪声，保证测量结果准确。同时，结构简单，可降低耦合系统的复杂程度。

Description

真空原子力显微镜的耦合系统及真空原子力显微镜

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种真空原子力显微镜的耦合系统及真空原子力显微镜。

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，简称AFM)是物理、材料、生物等许多纳米科技领域的重要的测量、表征和操控的工具。原子力显微镜技术有接触、非接触和动态原子力显微镜技术等多种操作模式，其中动态原子力显微镜技术自从发明以来，进一步提高分辨率和降低噪声一直是其发展的方向。因此，这也对原子力显微镜的探针驱动和信号检测提出了更高的要求。比较常见的探针激励方式主要为压电激励，而信号检测一般使用光电检测。然而，由于探针的响应频谱中存在大量的杂散噪音峰，极大地影响了压电激励的成像效果。近年来，光热激励技术被应用到动态原子力显微镜的探针驱动上，并且具有高品质因数和低噪声等优点，已经与光电检测技术耦合在一起成为新型动态原子力显微镜驱动和检测的方式。

通常同时实现耦合两束激光(激励光和检测光)的光路设计方法与检测的装置只能应用于大气环境中。但是，由于在大气环境中，空气阻尼和样品表面污染物的存在，会对原子力显微镜正常测量造成干扰。而在真空环境中，能有效降低噪音并提高灵敏度，但现有方案由于需要手动调节检测装置，并不适用于真空系统中。而且对于光热激励与光电检测耦合的方法，由于需要两束激光同时入射到微悬臂梁表面，在真空系统中，双光路设计由于结构复杂而很少被采用。

发明内容

基于此，有必要针对目前大气中的污染影响原子力显微镜测量准确性的问题，提供一种能够在真空环境下测量且结构简单的真空原子力显微镜的耦合系统及真空原子力显微镜。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种真空原子力显微镜的耦合系统，应用于真空原子力显微镜中，所述耦合系统包括：

真空室；

激励光源，位于所述真空室外，发射激励激光用于使探针振动；

检测光源，位于所述真空室外，发射检测激光用于检测所述探针偏转信息，所述检测激光的波长大于所述激励激光的波长；

光线传输装置，部分设置于所述真空室外，部分设置于所述真空室内，所述光线传输装置可接收所述激励激光与所述检测激光，所述光线传输装置还可传输所述探针反射的所述激励激光与所述检测激光，并偏转走所述激励激光；

光电位置转换器，设置于所述真空室内，位于所述光线传输装置的末端，用于接收所述检测激光，并根据所述检测激光的位置变化计算所述探针的偏转信息。

在其中一个实施例中，所述光线传输装置包括：

第一光路组件，部分设置于所述真空室内，并与所述激励光源的激光传输方向垂直，与所述检测光源的激光传输方向重合，所述第一光路组件接收传输所述激励激光与所述检测激光；

第二光路组件，设置于所述真空室内，并与所述第二光路组件的激光传输方向垂直，所述第二光路组件用于接收所述第一光路组件传输的所述激励激光与所述检测激光，并将所述激励激光与所述检测激光投射于探针；

第三光路组件，设置于所述真空室内，并与所述第一光路组件的激光传输方向垂直，与所述第二光路组件的光路传播方向重合且朝向相反，所述第三光路组件接收所述探针反射并经所述第二光路组件传输的所述激励激光与所述检测激光，并传输至所述光电位置转换器。

在其中一个实施例中，所述第一光路组件包括位于所述真空室外的第一二向色镜以及位于所述真空室内的凸透镜，所述第一二向色镜与所述凸透镜沿激光传输方向间隔设置，且所述凸透镜位于所述第一二向色镜与所述第二光路组件之间。

在其中一个实施例中，所述第二光路组件包括第一偏振分束镜以及四分之一波片，所述第一偏振分束镜与所述四分之一波片沿激光传输方向间隔设置，且所述第一偏振分束镜位于所述第一光路组件的末端，所述四分之一波片位于所述第一偏振分束镜与所述探针之间。

在其中一个实施例中，所述第三光路组件包括第二二向色镜以及滤光片，所述第二二向色镜与所述滤光片沿激光传输方向间隔设置，并位于所述第一偏振分束镜与所述光电位置转换器之间，且所述第二二向色镜靠近所述第一偏振分束镜设置。

在其中一个实施例中，所述耦合系统还包括观察组件，所述观察组件设置于所述第一光路组件与所述检测光源之间，所述观察组件可接收经所述第二光路组件、所述第一光路组件传输回的所述检测激光。

在其中一个实施例中，所述观察组件包括第二偏振分束镜以及成像件，所述第二偏振分束镜位于所述第一光路组件与所述检测光源之间，所述成像件位于所述第二偏振分束镜的侧面，并沿激光传输方向垂直于所述第一光路组件。

在其中一个实施例中，所述耦合系统还包括设置于所述真空室的电控装置，所述电控装置上安装所述凸透镜并调节所述凸透镜的位置，用于真空对焦。

在其中一个实施例中，所述电控装置包括安装基体、压电电机、弹性件以及装夹件，所述压电电机位于所述安装基体中，所述弹性件固定设置于所述安装基体，所述弹性件与所述压电电机的一面接触，所述压电电机的另一面与所述装夹件连接，所述装夹件用于安装所述凸透镜，所述压电电机可驱动所述装夹件运动。

在其中一个实施例中，所述耦合系统还包括弹性连接装置，所述弹性连接装置位于所述真空室，用于将所述电控装置与所述光线传输装置安装于所述真空室的内壁。

在其中一个实施例中，所述真空室具有用于观测的观测窗。

一种真空原子力显微镜，包括探针以及如上述任一技术特征所述的耦合系统；

所述探针安装于所述耦合系统的真空室中。

采用上述实施例后，本发明至少具有如下技术效果：

本发明的真空原子力显微镜的耦合系统及真空原子力显微镜，激励光源与检测光源位于真空室的外侧，光线传输装置部分设置于真空室的外侧，部分设置于真空室的内侧，并对应真空室内的探针与光电位置转换器。激励光源发射的激励激光与检测光源发射的检测激光发射至光线传输装置，并经光线传输装置传输到探针的表面，激励激光可以驱动探针振动，探针可以反射激励激光与检测激光，光线传输装置接收激励激光与检测激光并将激励激光从光路中移出，以将检测激光投射于光电位置转换器，光电位置转换器对检测激光进行分析，得出探针的受力信息。通过光线传输装置设置于真空室中，有效的解决目前大气中的污染影响原子力显微镜测量准确性的问题，实现真空环境下的可靠测量，降低测量过程中的噪声，保证测量结果准确。同时，本发明的光线传输装置的结构简单，可以降低耦合系统的复杂程度，便于使用。

附图说明

图1为本发明一实施例的耦合系统的光路示意图；

图2为图1所示的耦合系统中电控装置的示意图。

其中：

100、耦合系统；110、真空室；120、激励光源；130、检测光源；140、光线传输装置；141、第一光路组件；1411、第一二向色镜；1412、凸透镜；142、第二光路组件；1421、第一偏振分束镜；1422、四分之一波片；143、第三光路组件；1431、第二二向色镜；1432、滤光片；150、光电位置转换器；160、观察组件；161、第二偏振分束镜；162、成像件；170、电控装置；171、安装基体；172、压电电机；173、弹性件；174、装夹件；200、探针。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参见图1和图2，本发明提供一种真空原子力显微镜的耦合系统100。该耦合系统100为真空原子力显微镜的主要组成部分，可以应用于物理、材料、生物等许多纳米科技领域中，为测量、表征和操控的重要工具。本实施例中，耦合系统100对真空原子力显微镜的探针200进行测量。本发明真空原子力显微镜的耦合系统100可以实现真空环境下的可靠测量，降低测量过程中的噪声，保证测量结果准确。同时，本发明的耦合系统100的结构简单，可以降低整个结构的复杂程度，便于使用。

在一实施例中，真空原子力显微镜的耦合系统100包括真空室110、激励光源120、检测光源130、光线传输装置140以及光电位置转换器150。激励光源120位于真空室110外，发射激励激光用于使探针200振动。检测光源130位于真空室110外，发射检测激光用于检测探针200偏转信息，检测激光的波长大于激励激光的波长。光线传输装置140部分设置于真空室110外，部分设置于真空室110内，光线传输装置140可接收激励激光与检测激光，光线传输装置140还可传输探针200反射的激励激光与检测激光，并偏转走激励激光。光电位置转换器150位于光线传输装置140的末端，用于接收检测激光，并根据检测激光的位置变化计算探针200的偏转。

真空室110为具有真空环境的腔体。真空室110如图1所示的直虚线示意，虚线左侧为真空室110外，虚线右侧为真空室110内。探针200以及光电位置转换器150均设置于真空室110中，光线传输装置140部分设置于真空室110中，部分位于真空室110外。真空室110可以为检测提供真空环境，避免空气阻尼和探针200的表面存在污染物干扰测量结果，使得保证测量结果的准确性。可选地，真空室110由不锈钢材料制成，并且，真空室110具有多个观察窗，通过观察窗可以实现激光的传输以及便于观察。并且，激励光源120所处的位置与检测光源130所处的位置之间存在一定的角度差，具体的，激励光源120发射的激励激光的方向与检测光源130发射的检测激光的方向之间存在90°夹角。

激励光源120可以发射激励激光，检测光源130可以发射检测激光。图1所示的箭头方向即为激光的传输方向。激励光源120发射的激励激光投射于探针200表面后，激励光源120可以驱动探针200以一定频率振动。检测光源130发射的检测激光投射于探针200表面后，由于探针200扭转或弯曲会使得检测激光的投射位置发生变动，便于后续对探针200的受力进行分析。可选地，激励激光的波长小于检测激光的波长。进一步的，激励激光为蓝光激光，检测激光为红光激光。当然，在本发明的其他实施方式中，激励激光与检测激光还可为其他能够实现激励与检测的激光。并且，激励光源120与检测光源130均为激光器。

光线传输装置140为激励激光与检测激光的传输提供光路，使得激励激光与检测激光可以传输到探针200，并将检测激光传输到光电位置转换器150。光路传输装置为图1所示的虚线方框内示意。激励光源120发射的激励激光与检测光源130发射的检测激光发射至光线传输装置140，并经光线传输装置140传输到探针200的表面，激励激光可以驱动探针200振动，探针200可以反射激励激光与检测激光，光线传输装置140接收激励激光与检测激光并将激励激光从光路中移出，以将检测激光投射于光电位置转换器150。

光电位置转换器150接收检测激光后，可以对检测激光进行分析，得出探针200悬臂梁的扭转、弯曲等信息，进而可计算出的受力等，以获得探针200的测量结果。可选地，光电位置转换器150为四象限光电位置转换器，即为四象限PSD(Position SensitiveDetector，位置敏感元件)。四象限PSD通过对比四个象限光强，得到检测激光投射于探针200上光斑的位置，因此可以用来检测探针200扭转后检测激光位置发生的微小偏转，从而可以得到探针200扭转、弯折的大小，进而可以推算出探针200的受力等信息。

本发明的真空原子力显微镜的耦合系统100通过真空室110外的激励光源120与检测光源130、部分真空室110内的光线传输装置140以及位于真空室110内的光电位置转换器150实现探针200的检测，有效的解决目前大气中的污染影响原子力显微镜测量准确性的问题，实现真空环境下的可靠测量，降低测量过程中的噪声，保证测量结果准确。同时，本发明的光线传输装置140的结构简单，可以降低耦合系统100的复杂程度，便于使用。

在一实施例中，光线传输装置140包括第一光路组件141、第二光路组件142以及第三光路组件143。第一光路组件141部分设置于真空室110内，并与激励光源120的激光传输方向垂直，与检测光源130的激光传输方向重合，第一光路组件141接收传输激励激光与检测激光。第二光路组件142设置于真空室110内，并与第二光路组件142的激光传输方向垂直，第二光路组件142用于接收第一光路组件141传输的激励激光与检测激光，并将激励激光与检测激光投射于探针200。第三光路组件143设置于真空室110内，并与第一光路组件141的激光传输方向垂直，与第二光路组件142的光路传播方向重合且朝向相反，第三光路组件143接收探针200反射并经第二光路组件142传输的激励激光与检测激光，并传输至光电位置转换器150。

第一光路组件141在真空室110外接收激励光源120的激励激光与检测光源130的检测激光。检测光源130与第一光路组件141共线，且位于第一光路组件141的延长线上，以使得检测激光可以沿直线投射于第一光路组件141。激励光源120位于第一光路组件141的侧面，且激励光源120发射的激励激光沿垂直方向摄入第一光路组件141，通过第一光路组件141偏转后由第一光路组件141传输。以图1所示的方向为基准，第一光路组件141沿水平方向设置，激励光源120位于第一光路组件141的上方，检测光源130位于第一光路组件141的上方。

第二光路组件142与第三光路组件143的延伸方向相反，如图所示，第二光路组件142在真空室110中向上延伸，第三光路组件143在真空室110中向下延伸。并且，第二光路组件142的一端与第一光路组件141的输出端对接，用于接收激励激光与检测激光，第二光路组件142的另一端朝向探针200，以将激励激光与检测激光投射于探针200的表面。并且，探针200还可反射激励激光与检测激光，使得激励激光与检测激光原路返回第二光路组件142中，并由第二光路组件142传输。

第三光路组件143的一端与第二光路组件142对接，并接收第二光路组件142原路返回的激励激光与检测激光，第三光路组件143的另一端对应光电位置转换器150。第三光路组件143传输激励激光与检测激光的过程中，将激励激光去除，只留检测激光，使得检测激光可以可以直接投射于四象限PSD中，由四象限PSD对检测激光进行处理。

激励光源120发射激励激光，激励激光沿垂直第一光路组件141的发生射入第一光路组件141，并经第一光路组件141偏转后由第一光路组件141输送。检测光源130发射检测激光，检测激光可以直接射入第一光路组件141，并由第一光路组件141输送。第一光路组件141可以将激励激光与检测激光传输至第二光路组件142。经第二光路组件142偏转后由第二光路组件142输送，以使激励激光与检测激光投射于探针200的表面。探针200的表面反射激励激光与检测激光，使得激励激光与检测激光原路返回至第二光路组件142，并由第二光路组件142传输至第三光路组件143中，第三光路组件143去除激励激光，并将检测激光传输至四象限PSD中。

也就是说，检测激光与激励激光共用第一光路组件141、第二光路组件142以及第三光路组件143。光线传输装置140通过第一光路组件141、第二光路组件142以及第三光路组件143的配合实现激励激光与检测激光在真空室110中的传输，同时，真空室110内的真空环境还可降低噪声，提高检测灵敏度，进一步保证检测结果准确。

在一实施例中，第一光路组件141包括位于真空室110外的第一二向色镜1411以及位于真空室110的凸透镜1412，第一二向色镜1411与凸透镜1412沿激光传输方向间隔设置，且凸透镜1412位于第一二向色镜1411与第二光路组件142之间。第一二向色镜1411位于第一光路组件141的输入端，用于接收激励激光与检测激光。可以理解的，第一二向色镜1411根据波长透过或反射光，实现光谱分光，使得穿过其的一种激光透射，另一种反射。示例性地，激励激光投射于第一二向色镜1411后，第一二向色镜1411可以将激励激光偏转，使得垂直射入的激励激光的光线可以沿着第一光路组件141传输。检测激光投射于第一二向色镜1411后，检测激光可以直接穿过第一二向色镜1411沿第一光路组件141传输。

凸透镜1412位于第一光路组件141的输出端。第一二向色镜1411输出的激励激光与检测激光传输到凸透镜1412处，由凸透镜1412汇聚光线。可以理解的，由于激光是平行光，并且光斑较大，通过凸透镜1412汇聚后可以减小激励激光与检测激光的光斑。这样，激励激光与检测激光经过凸透镜1412汇聚并投射于探针200的表面后，二者打在探针200表面的光斑会很小，和探针200的尺寸基本一致，从而可以有效的驱动和检测探针200的偏转。

在一实施例中，第二光路组件142包括第一偏振分束镜1421以及四分之一波片1422，第一偏振分束镜1421与四分之一波片1422沿激光传输方向间隔设置，且第一偏振分束镜1421位于第一光路组件141的末端，四分之一波片1422位于第一偏振分束镜1421与探针200之间。第一偏振分束镜1421位于第二光路组件142的输入端，并对应第一光路组件141的输出端。经凸透镜1412汇聚的激励激光与检测激光可以投射于第一偏振分束镜1421。

第一偏振分束镜1421可以接收第一光路组件141垂直射入的激励激光与检测激光，并将激励激光与检测激光反射90°至四分之一波片1422处，四分之一波片1422可以改变激励激光与检测激光的偏振方向，使得激励激光与偏振激光可以投射于探针200的表面。可以理解的，激光是偏振光，具有一定的偏振方向，需要通过四分之一波片1422改变激光的偏振方向，进而实现激光在特定光学元件中偏转或投射的调节。

激励激光与检测激光投射于探针200后，并由探针200反射原路返回至第二光路组件142中。即激励激光与检测激光返回至四分之一波片1422处，四分之一波片1422会再次改变激励激光与检测激光的偏振方向。随后，激励激光与检测激光返回至第一偏振分束镜1421，由第一偏振分束镜1421将检测激光经第三光路组件143输送至光电位置转换器150。

理论情况下，需要保证激励激光与检测激光穿过第一偏振分束镜1421可以完全投射到第三光路组件143中，以使得检测激光可以完全输入至光电位置转换器150中，以检测探针200的受力等信息。但是实际情况下，第一偏振分束镜1421可以将射入的激光分成两束或者更多束。示例性地，第一偏振分束镜1421可以将射入的激励激光与检测激光分成两束，一束进入第二光路组件142中，另一束进入第一光路组件141中。

为了保证光电位置转换器150接收到检测激光尽可能多，需要第一偏振分束镜1421将检测激光尽可能多的折射到第三光路组件143中。也就是说，第一偏振分束镜1421需要将尽可能的检测激光与激励激光折射到第三光路组件143中，尽可能少的检测激光与激励激光反射到第一光路组件141中。这样，光电位置转换器150能够接受尽可能多的检测激光，保证探针200检测结果的准确性。

进一步地，四分之一波片1422可转动地设置于真空室110中。也就是说，四分之一波片1422的角度可以微调，以调节第一偏振分束镜1421输出光线的量，使得第一偏振分束镜1421将尽可能的检测激光与激励激光折射到第三光路组件143中，尽可能少的检测激光与激励激光反射到第一光路组件141中。具体的，可使经过两次四分之一波片1422的激励激光与检测激光的其中一部分通过第一偏振分束镜1421反射，沿原路返回至第一光路组件141中，此部分激光量控制在百分之五以下；使得透射穿过第一偏振分束镜1421经第三光路组件143进入光电位置转换器150的光能量最大。可选地，四分之一波片1422的微调角度的范围为0.5°～3°。

在一实施例中，第三光路组件143包括第二二向色镜1431以及滤光片1432，第二二向色镜1431与滤光片1432沿激光传输方向间隔设置，并位于第一偏振分束镜1421与光电位置转换器150之间，且第二二向色镜1431靠近第一偏振分束镜1421设置。第二二向色镜1431设置于第三光路组件143的输入端，并对应第一光路组件141的输出端与第二光路组件142的输入端，用于接收第一偏振分束镜1421折射的激励激光与检测激光。第二二向色镜1431可以偏转激励激光，透射检测激光。这样，由第二光路组件142输出的检测激光可以直接穿过第二二向色镜1431，并继续沿第三光路组件143传输，由第二光路组件142输出的激励激光则被第二二向色镜1431反射，使激励激光偏转。这样，第三光路组件143的后部分只存在检测激光而不再有激励激光，使得光电位置转换器150可以只检测到检测激光，不被激励激光影响，保证检测结果准确。可以理解的，第二二向色镜1431可以反射激励激光，透射检测激光。可以理解的，第二二向色镜1431反射的激励激光可以被吸光件吸收，如黑色塑料部件等。

并且，滤光片1432设置于第三光路组件143的输出端，并对应光电位置转换器150设置。可以理解的，激励激光在经过第二二向色镜1431偏转后绝大部分离开了第三光路组件143，但也会有少量的激励激光透过二向色镜。因此，在第二二向色镜1431与光电位置转换器150之间增加滤光片1432。滤光片1432可以进一步吸收激励激光，避免激励激光投射到光电位置转换器150。可选地，滤光片1432的数量为至少一个。相邻的滤光片1432沿激光传输方向间隔设置。示例性地，滤光片1432的数量为一个。进一步地，滤光片1432为黄光滤光片1432，用于过滤为蓝光的激励激光。

在一实施例中，耦合系统100还包括观察组件160，观察组件160设置于第一光路组件141与检测光源130之间，观察组件160可接收经第二光路组件142、第一光路组件141传输回的检测激光。观察组件160位于第一光路组件141的输出端，第一偏振分束镜1421反射的激励激光与检测激光原路返回至第一光路组件141中，经第一光路组件141的凸透镜1412后，进入第一二向色镜1411中，第一二向色镜1411会偏转激励激光，使得检测激光透过。此时，激励激光被偏转出第一光路组件141，且激励激光可以被吸光件吸收，如黑色塑料部件等。检测激光穿过第一二向色镜1411后继续沿着第一光路组件141运动，并投射至观察组件160，由观察组件160接收检测激光，并观测检测激光投射于探针200的光斑的位置。

在一实施例中，观察组件160包括第二偏振分束镜161以及成像件162，第二偏振分束镜161位于第一光路组件141与检测光源130之间，成像件162位于第二偏振分束镜161的侧面，并沿激光传输方向垂直于第一光路组件141。第二偏振分束镜161设置于第一光路组件141的输入端，成像件162位于第二偏振分束镜161的输出端，用于接收第二偏振分束镜161反射的检测激光。检测光源130发射的检测激光可以透过第二偏振分束镜161投射于第一光路组件141的第一二向色镜1411上。当第一光路组件141传输从第一偏振分束镜1421反射回来的检测激光后，检测激光透过第二二向色镜1431传输至第二偏振分束镜161。值得说明的是，检测激光与激励激光从四分之一波片1422输出后发射过两次偏振，改变了激光的偏振方向，当第二偏振分束镜161接收第二二向色镜1431透射的检测激光后，第二偏振分束镜161会将检测激光反射，即将检测激光反射至成像件162，通过成像件162可以观察检测激光的光斑在探针200的位置。可选地，成像件162为CCD相机或者其他能够实现光斑位置拍摄的相机。

本发明的耦合系统100的工作过程为：

激励光源120发射激励激光，并投射至第一二向色镜1411，经由第一二向色镜1411偏转，入射到凸透镜1412，经由凸透镜1412汇聚并依次经过第一偏振分束镜1421反射、四分之一波片1422改变偏振方向，最终聚焦在探针200的微悬臂上，并驱动探针200以一定的频率振动。检测光源130发射检测激光，直接穿过第二偏振分束镜161与第一二向色镜1411后入射到凸透镜1412，经由凸透镜1412汇聚并依次经过第一偏振分束镜1421反射、四分之一波片1422改变偏振方向，最终聚焦在探针200的微悬臂上。

激励激光与检测激光经过探针200的微悬臂背面反射，再次通过四分之一波片1422改变偏振方向，此时的检测激光已经与从检测光源130发射的检测激光偏振方向改变了90°。当此检测激光再次入射第一偏振分束镜1421时，将不再发生反射而直接透射进入第二二向色镜1431，此时激励激光也同样透过第一偏振分束镜1421进入第二二向色镜1431。第二二向色镜1431透射检测激光，并偏转激励激光。检测激光透过第二二向色镜1431进入滤光片1432，此时剩余的微弱激励激光进一步被滤光片1432吸收，最终检测激光打入光电位置转换器150。

此外，在检测激光与激励激光经探针200反射至四分之一波片1422之前，通过微调四分之一波片1422的角度，可使经过四分之一波片1422返回的检测激光与激励激光的其中一部分通过第一偏振分束镜1421反射，沿原光路返回至第一光路组件141中，此部分激光控制在百分之五以下。剩余大部分的检测激光与激励激光则透过第一偏振分束镜1421进入第二二向色镜1431，即为上文的步骤。返回的检测激光与激励激光通过凸透镜1412入射到第一二向色镜1411中，第一二向色镜1411使激励激光发生偏转，检测激光投射并进入第二偏振分束镜161，此时的检测激光又会有一部分经过第二偏振分束镜161反射，进入成像件162，从而可以观察检测激光的光斑在探针200上的位置。

参见图1和图2，在一实施例中，耦合系统100还包括设置于真空室110的电控装置170，电控装置170上安装凸透镜1412并调节凸透镜1412的位置，用于真空对焦。具体的，电控装置170可以驱动凸透镜1412沿激光传输方向移动，从而实现凸透镜1412在真空室110中的对焦功能。电控装置170可以调节凸透镜1412的位置，使得凸透镜1412可以准确的对检测激光与激励激光距离，进而改变检测激光与激励激光的光斑。激励激光与检测激光经过凸透镜1412汇聚并投射于探针200的表面后，二者打在探针200表面的光斑会很小，和探针200的尺寸基本一致，从而可以有效的驱动和检测探针200的偏转。

在一实施例中，电控装置170包括安装基体171、压电电机172、弹性件173以及装夹件174，压电电机172位于安装基体171中，弹性件173固定设置于安装基体171，进一步地，弹性件173通过螺纹件固定于安装基体171上。弹性件173与压电电机172的一面接触，以向压电电机172提供预紧力。压电电机172的另一面与装夹件174连接，装夹件174用于安装凸透镜1412，压电电机172可驱动装夹件174运动。

安装基体171为电控装置170的外壳，压电电机172、弹性件173以及装夹件174均设置于安装基体171中，以使得电控装置170作为一个整体设置于真空室110中，便于易于安装并实现凸透镜1412的对焦。压电电机172可以在锯齿形脉冲的控制下输出沿激光传输方向的运动，以驱动装夹件174带动其中的凸透镜1412运动，实现凸透镜1412对焦。并且，弹性件173将压电电机172压设于安装基体171中，并向压电电机172提供合适的预紧力。通过弹性件173对装夹件174预紧，避免装夹件174与压电电机172之间过紧或过松，保证压电电机172可以准确的驱动装夹件174运动。装夹件174为夹具结构实现凸透镜1412的装夹。

可以理解的，压电电机172可以驱动与其接触的中心棱柱运动，进而通过中心棱柱驱动装夹件174运动。具体的，压电电机172的一面与弹性件173固接，另一面通过中心棱柱与装夹件174连接。弹性件173通过施加适合的压紧力，使压电电机172在适当频率和电压的交流电下可以自由地驱动凸透镜1412的装夹件174沿一个方向运动，从而实现在真空室110中的对焦功能。可以理解的，装夹件174的具体结构不受限制，只要能够安装凸透镜1412即可。并且，探针200安装于安装架上，安装架与安装基体171固定连接。

在一实施例中，耦合系统100还包括弹性连接装置(未示出)，弹性连接装置位于真空室110，用于将电控装置170与光线传输装置140安装于真空室110的内壁。弹性连接装置将电控装置170、第一光路组件141中的凸透镜1412、第二光路组件142、第三光路组件143以及光电位置转换器150固定于真空室110中。可以理解的，这里的弹性连接装置为弹簧阻尼系统，通过弹簧阻尼系统弹性连接电控装置170、第一光路组件141中的凸透镜1412、第二光路组件142、第三光路组件143以及光电位置转换器150，可以保证光电位置转换器150与探针200同处于真空室110中并具有稳定的机械连接，保证光线传输装置140、光电位置转换器150与电控装置170在检测时保持平衡状态，以避免不同频率的环境噪声影响测量精度。值得说明的是，弹性连接装置可以采用现有技术中的弹簧阻尼系统实现光线传输装置140、光电位置转换器150、电控装置170与真空室110的软连接。

本发明的真空原子力显微镜的耦合系统100改变了光线传输装置140中各个零部件的布局以进一步降低噪声，真空环境下的可靠测量，还简化了光线传输装置140的结构设计，以提高稳定性，保证了检测结果的准确性；同时，还能实现在一定范围内移动凸透镜1412，实现真空室110中的自动对焦。

本发明的真空原子力显微镜还包括探针200以及上述实施例中的耦合系统100。探针200安装于耦合系统100的真空室110中。真空原子力显微镜采用上述实施例中的耦合系统100后，可以实现真空环境下的可靠测量，降低测量过程中的噪声，保证测量结果准确。值得说明的是，真空原子力显微镜的结构除上述的耦合系统100外，均为现有技术，在此不一一赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书的记载范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种真空原子力显微镜的耦合系统，其特征在于，应用于真空原子力显微镜中，所述耦合系统包括：

真空室；

激励光源，位于所述真空室外，发射激励激光用于使探针振动；

检测光源，位于所述真空室外，发射检测激光用于检测所述探针偏转信息，所述检测激光的波长大于所述激励激光的波长；

光线传输装置，部分设置于所述真空室外，部分设置于所述真空室内，所述光线传输装置可接收所述激励激光与所述检测激光，所述光线传输装置还可传输所述探针反射的所述激励激光与所述检测激光，并偏转走所述激励激光；

光电位置转换器，设置于所述真空室内，位于所述光线传输装置的末端，用于接收所述检测激光，并根据所述检测激光的位置变化计算所述探针的偏转信息；

其中，所述光线传输装置包括：

第一光路组件，部分设置于所述真空室内，并与所述激励光源的激光传输方向垂直，与所述检测光源的激光传输方向重合，所述第一光路组件接收传输所述激励激光与所述检测激光；

第二光路组件，设置于所述真空室内，并与所述第二光路组件的激光传输方向垂直，所述第二光路组件用于接收所述第一光路组件传输的所述激励激光与所述检测激光，并将所述激励激光与所述检测激光投射于探针；

第三光路组件，设置于所述真空室内，并与所述第一光路组件的激光传输方向垂直，与所述第二光路组件的光路传播方向重合且朝向相反，所述第三光路组件接收所述探针反射并经所述第二光路组件传输的所述激励激光与所述检测激光，并传输至所述光电位置转换器。

2.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述第一光路组件包括位于所述真空室外的第一二向色镜以及位于所述真空室内的凸透镜，所述第一二向色镜与所述凸透镜沿激光传输方向间隔设置，且所述凸透镜位于所述第一二向色镜与所述第二光路组件之间。

3.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述第二光路组件包括第一偏振分束镜以及四分之一波片，所述第一偏振分束镜与所述四分之一波片沿激光传输方向间隔设置，且所述第一偏振分束镜位于所述第一光路组件的末端，所述四分之一波片位于所述第一偏振分束镜与所述探针之间。

4.根据权利要求3所述的耦合系统，其特征在于，所述第三光路组件包括第二二向色镜以及滤光片，所述第二二向色镜与所述滤光片沿激光传输方向间隔设置，并位于所述第一偏振分束镜与所述光电位置转换器之间，且所述第二二向色镜靠近所述第一偏振分束镜设置。

5.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述耦合系统还包括观察组件，所述观察组件设置于所述第一光路组件与所述检测光源之间，所述观察组件可接收经所述第二光路组件、所述第一光路组件传输回的所述检测激光。

6.根据权利要求5所述的耦合系统，其特征在于，所述观察组件包括第二偏振分束镜以及成像件，所述第二偏振分束镜位于所述第一光路组件与所述检测光源之间，所述成像件位于所述第二偏振分束镜的侧面，并沿激光传输方向垂直于所述第一光路组件。

7.根据权利要求2所述的耦合系统，其特征在于，所述耦合系统还包括设置于所述真空室的电控装置，所述电控装置上安装所述凸透镜并调节所述凸透镜的位置，用于真空对焦。

8.根据权利要求7所述的耦合系统，其特征在于，所述电控装置包括安装基体、压电电机、弹性件以及装夹件，所述压电电机位于所述安装基体中，所述弹性件固定设置于所述安装基体，所述弹性件与所述压电电机的一面接触，所述压电电机的另一面与所述装夹件连接，所述装夹件用于安装所述凸透镜，所述压电电机可驱动所述装夹件运动。

9.根据权利要求8所述的耦合系统，其特征在于，所述耦合系统还包括弹性连接装置，所述弹性连接装置位于所述真空室，用于将所述电控装置与所述光线传输装置安装于所述真空室的内壁。

10.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述真空室具有用于观测的观测窗。

11.一种真空原子力显微镜，其特征在于，包括探针以及如权利要求1至9任一项所述的耦合系统；

所述探针安装于所述耦合系统的真空室中。

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