CN112595860A - 基于光纤的低温近场光学显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤的低温近场光学显微镜，用于测量样品，包括光学部分和扫描机械部分，光学部分包括光源、光纤耦合器、干涉臂、探测器和近场耦合结构，所述光源与所述光纤耦合器的第一入射端口固定连接，所述探测器与所述光纤耦合器的第二入射端口固定连接。本发明公开的一种基于光纤的低温近场光学显微镜，其不仅省去了光波束引导机构的调试校准工序，还避免了系统机械部件老化所带来的位置漂移影响，其具有更好的抗环境干扰能力、安装位置受实际安装环境影响小和能够更经济的达到1.2K、4K的超低温环境等优点。

Description

基于光纤的低温近场光学显微镜

技术领域

本发明属于扫描近场光学显微镜技术领域，具体涉及一种基于光纤的低温近场光学显微镜。

背景技术

扫描近场光学显微镜(SNOM)是一种突破常规光学显微镜衍射极限的光学成像方案，可实现在纳米尺度下对样品材料形貌、组分、力学等关键性质的同步精准测量。同时由于其非接触式的探测原理，能够对样品实现无损测量，从而在生物材料领域中有着更大的优势。

现有的SNOM系统主要由两部分构成，对光波束进行约束并探测分析的光学部分和控制样品及探针的扫描机械部分。其中，扫描机械部分为原子力显微镜(AFM)，可以直接采用成熟AFM，特殊应用会根据AFM原理来针对化设计的具有相同功能的系统。光学部分常采用以迈克尔逊干涉仪原理为基础的设计的光波束引导机构，同时附带干涉测量所需的控制电机、光波束探测器及信号放大解调设备构成。但是采用迈克尔逊干涉仪原理所搭建的光波束引导机构所管控的光波束位于自由空间内，由于扫描探针尺度的原因对精度要求非常高，常常需要每一个光波束偏折元件具有调节功能，否则无法成功引导光波束到指定区域。大量光学元件调节架的存在会带来两个问题：一是光学元件调节架空间占用大，整套机构受调节架外形尺寸的限制较多，同时任何机械调节架都或多或少的存在运动机构随时间老化的现象，这会造成调校好的光波束经过一段时间后会发生偏移失去原有的作用；二是在低温系统中自由空间光的导入必须要开设窗口，这会带来外部辐射造成温度升高。

针对当前SNOM系统所存在的问题，本发明提出了一种具有全光纤化的SNOM光波束引导机构的基于光纤的低温近场光学显微镜。

发明内容

本发明的主要目的在于提供基于光纤的低温近场光学显微镜，其不仅省去了光波束引导机构的调试校准工序，还避免了系统机械部件老化所带来的位置漂移影响，其具有更好的抗环境干扰能力、安装位置受实际安装环境影响小和能够更经济的达到1.2K、4K的超低温环境等优点。

本发明的另一目的在于提供基于光纤的低温近场光学显微镜，用于测量样品，包括光学部分和扫描机械部分，光学部分包括光源、光纤耦合器、干涉臂、探测器和近场耦合结构，其中：

所述光源与所述光纤耦合器的第一入射端口固定连接，所述探测器与所述光纤耦合器的第二入射端口固定连接；

所述光纤耦合器的第一出射端口与所述近场耦合结构固定连接，所述近场耦合结构用于将所述光源发射的光波束汇聚于扫描机械部分的扫描探针的(探针)针尖上的有效近场散射区域(本发明的散射式近场显微镜的扫描探针的结构为悬臂梁、探针，探针与悬臂梁之上存在金属镀膜)并且收集样品近场信息，所述光纤耦合器的第二出射端口与所述干涉臂固定连接。

由近场耦合结构收集到的近场散射光波束(收集的样品近场信息)将原路返回至光纤耦合器，其中高比例能量将进入探测器，低比例能量将进入光纤隔离器被阻挡，近场耦合结构的主光轴与样品的表面夹角为30°，整个结构固定于由压电步进电机驱动的三维位移台之上，以实现与扫描探针的针尖的精确耦合。

第一出射端口对于第一入射端口时为低功率信号输出，第一出射口对于第二入射端口时为高功率信号输出；

第二出射端口对于第二入射端口时为低功率信号输出，第二出射口对于第一入射端口时为高功率信号输出。

光纤耦合器是一种2x2的光纤分路器，本发明所选用的光纤分路器为双向传输且能量分配比为9:1,其能够将由任意端口入射的光波束按能量比9:1分割后由两个输出端口出射。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述光源包括激光器和光纤隔离器，所述光纤隔离器与所述光纤耦合器的第一入射端口固定连接，所述光纤隔离器远离所述光纤耦合器的一端与所述激光器固定连接(激光器作为系统光源，其波长、功率等参数由所研究的样品决定)。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述激光器包括激光源、光学透镜组、第一光纤、第一固定结构和驱动控制电路，所述激光源、所述光学透镜组和所述第一光纤均安装于所述第一固定结构，所述光学透镜组安装于所述激光源和所述第一光纤之间，所述第一光纤与所述光纤隔离器靠近所述激光器的一端连接。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述干涉臂包括由压电陶瓷驱动的光纤拉伸器和末端安装有反向耦合器的第二光纤，所述第二光纤缠绕固定于所述光纤拉伸器，所述第二光纤远离反向耦合器的一端与所述光纤耦合器的第二出射端口固定连接，反向耦合器能够将第二光纤内的光波束极低损耗的反向传输至光纤耦合器，其中高比例能量将进入光纤隔离器被阻挡，低比例能量将进入探测器，光纤拉伸器经由压电陶瓷驱动能够使光纤以百赫兹级别的频率实现几百纳米的伸缩变化，引起第二光纤内光波束光程的改变，用以实现干涉测量提升信号信噪比。

作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述近场耦合结构包括传输光纤、准直透镜、耦合透镜和第二固定结构，所述传输光纤、所述准直透镜和所述耦合透镜均安装于所述第二固定结构，所述准直透镜安装于所述传输光纤和所述耦合透镜之间，所述传输光纤与所述第一出射端口连接。

其中传输光靠近准直透镜的部分为玻璃化光纤头或陶瓷化光纤头以便于结构固定及对准封装，准直透镜为中长焦非球面透镜，焦距范围18-40mm，耦合透镜为短焦非球面透镜，焦距范围7-15mm。

附图说明

图1是本发明的基于光纤的低温近场光学显微镜的结构示意图。

图2是本发明的基于光纤的低温近场光学显微镜的激光器的结构示意图。

图3是本发明的基于光纤的低温近场光学显微镜的近场耦合结构的结构示意图。

附图标记包括：10、光源；11、激光器；111、激光源；112、光学透镜组；113、第一固定结构；114、第一光纤；12、光纤隔离器；20、光纤耦合器；30、干涉臂；31、光纤拉伸器；32、第二光纤；33、反向耦合器；40、探测器；50、近场耦合结构；51、传输光纤；52、准直透镜；53、耦合透镜；54、第二固定结构；60、扫描探针。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

参见附图的图1，图1是本发明的基于光纤的低温近场光学显微镜的结构示意图，图2是本发明的基于光纤的低温近场光学显微镜的激光器的结构示意图，图3是本发明的基于光纤的低温近场光学显微镜的近场耦合结构的结构示意图。

在本发明的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本发明所涉及的扫描机械部分和样品等可被视为现有技术。

优选实施例。

本发明公开了一种基于光纤的低温近场光学显微镜，用于测量样品，包括光学部分和扫描机械部分，其特征在于，光学部分包括光源10、光纤耦合器20、干涉臂30、探测器40和近场耦合结构50，其中：

所述光源10与所述光纤耦合器20的第一入射端口固定连接，所述探测器40与所述光纤耦合器20的第二入射端口固定连接；

所述光纤耦合器20的第一出射端口与所述近场耦合结构50固定连接，所述近场耦合结构50用于将所述光源10发射的光波束汇聚于扫描机械部分的扫描探针60的(探针)针尖上的有效近场散射区域(本发明的散射式近场显微镜的扫描探针60的结构为悬臂梁、探针，探针与悬臂梁之上存在金属镀膜)并且收集样品近场信息，所述光纤耦合器20的第二出射端口与所述干涉臂30固定连接。

由近场耦合结构50收集到的近场散射光波束(收集的样品近场信息)将原路返回至光纤耦合器20，其中高比例能量将进入探测器40，低比例能量将进入光纤隔离器12被阻挡，近场耦合结构50的主光轴与样品的表面夹角为30°，整个结构固定于由压电步进电机驱动的三维位移台之上，以实现与扫描探针60的针尖的精确耦合。

第一出射端口对于第一入射端口时为低功率信号输出，第一出射口对于第二入射端口时为高功率信号输出；

第二出射端口对于第二入射端口时为低功率信号输出，第二出射口对于第一入射端口时为高功率信号输出。

光纤耦合器20是一种2x2的光纤分路器，本发明所选用的光纤分路器为双向传输且能量分配比为9:1,其能够将由任意端口入射的光波束按能量比9:1分割后由两个输出端口出射。

具体的是，所述光源10包括激光器11(优选为单模光纤耦合激光器)和光纤隔离器12，所述光纤隔离器12与所述光纤耦合器20的第一入射端口固定连接，所述光纤隔离器12远离所述光纤耦合器20的一端与所述激光器11固定连接(激光器11作为系统光源，其波长、功率等参数由所研究的样品决定)。

更具体的是，所述激光器11包括激光源111、光学透镜组112、第一光纤114、第一固定结构113和驱动控制电路，所述激光源111、所述光学透镜组112和所述第一光纤114均安装于所述第一固定结构113，所述光学透镜组112安装于所述激光源111和所述第一光纤114之间，所述第一光纤114与所述光纤隔离器12靠近所述激光器11的一端连接。

激光源111为自由空间输出，其输出光波束经利用光学透镜组112将激光源111所发射出的光波束耦合至单模光纤中构成激光器11来接入本系统。

进一步的是，所述干涉臂30包括由压电陶瓷驱动的光纤拉伸器31和末端安装有反向耦合器33的第二光纤32，所述第二光纤32缠绕固定于所述光纤拉伸器31，所述第二光纤32远离反向耦合器33的一端与所述光纤耦合器20的第二出射端口固定连接，反向耦合器33能够将第二光纤32内的光波束极低损耗的反向传输至光纤耦合器20，其中高比例能量将进入光纤隔离器12被阻挡，低比例能量将进入探测器40，光纤拉伸器31经由压电陶瓷驱动能够使光纤以百赫兹级别的频率实现几百纳米的伸缩变化，引起第二光纤32内光波束光程的改变，用以实现干涉测量提升信号信噪比。

更进一步的是，所述近场耦合结构50包括传输光纤51、准直透镜52、耦合透镜53和第二固定结构54，所述传输光纤51、所述准直透镜52和所述耦合透镜53均安装于所述第二固定结构54，所述准直透镜52安装于所述传输光纤51和所述耦合透镜53之间，所述传输光纤51与所述第一出射端口连接。

优选地，其中传输光纤51靠近准直透镜的部分为玻璃化光纤头或陶瓷化光纤头以便于结构固定及对准封装，准直透镜为中长焦非球面透镜，焦距范围18-40mm，优选为18.4mm，耦合透镜为短焦非球面透镜，焦距范围7-15mm，优选为8mm。

优选地，本发明涉及的光纤的接口均为FC/APC规格，通过FC/APC光纤法兰连接。

优选地，本发明的光学部分(即光波束引导机构)还可以采用光波束位于自由空间的迈克尔逊干涉仪原理所搭建机构，将原本直接导入至样品扫描探针的光波束先耦合进光纤，而后通过光纤传导至样品扫描探针并进行光耦合，其表述为将原本自由空间光路中汇聚于扫描探针的光波束通过透镜组(类似于光学透镜组112的产品)耦合进第一光纤，第一光纤与近场耦合结构50远离准直/汇聚透镜的一端相连。

此种将系统的近场耦合部分改为光纤传输的方案同样可以有效缓解超低温系统的复杂度。

值得一提的是，本发明专利申请涉及的扫描机械部分和样品等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。

对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于光纤的低温近场光学显微镜，用于测量样品，包括光学部分和扫描机械部分，其特征在于，光学部分包括光源、光纤耦合器、干涉臂、探测器和近场耦合结构，其中：

所述光源与所述光纤耦合器的第一入射端口固定连接，所述探测器与所述光纤耦合器的第二入射端口固定连接；

所述光纤耦合器的第一出射端口与所述近场耦合结构固定连接，所述近场耦合结构用于将所述光源发射的光波束汇聚于扫描机械部分的扫描探针的针尖上的有效近场散射区域并且收集样品近场信息，所述光纤耦合器的第二出射端口与所述干涉臂固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤的低温近场光学显微镜，其特征在于，所述光源包括激光器和光纤隔离器，所述光纤隔离器与所述光纤耦合器的第一入射端口固定连接，所述光纤隔离器远离所述光纤耦合器的一端与所述激光器固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤的低温近场光学显微镜，其特征在于，所述激光器包括激光源、光学透镜组、第一光纤、第一固定结构和驱动控制电路，所述激光源、所述光学透镜组和所述第一光纤均安装于所述第一固定结构，所述光学透镜组安装于所述激光源和所述第一光纤之间，所述第一光纤与所述光纤隔离器靠近所述激光器的一端连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于光纤的低温近场光学显微镜，其特征在于，所述干涉臂包括由压电陶瓷驱动的光纤拉伸器和末端安装有反向耦合器的第二光纤，所述第二光纤缠绕固定于所述光纤拉伸器，所述第二光纤远离反向耦合器的一端与所述光纤耦合器的第二出射端口固定连接。

5.根据权利要求3所述的一种基于光纤的低温近场光学显微镜，其特征在于，所述近场耦合结构包括传输光纤、准直透镜、耦合透镜和第二固定结构，所述传输光纤、所述准直透镜和所述耦合透镜均安装于所述第二固定结构，所述准直透镜安装于所述传输光纤和所述耦合透镜之间，所述传输光纤与所述第一出射端口连接。

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