CN114018921A - 一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，旨在解决对样品的近场光学测量中近场交互的汇聚激发光束存在对准偏差和错误对准的问题，包括近场光学显微镜的设备基体，安装于设备基体上并用于扫描检测样品的近场探针，还包括有：光源系统，用于提供实现近场交互的激发光束；近场光路系统，用于探测和引导实现近场交互的激发光束；至少两个光学定位系统，用于指引激发光束聚焦于探针尖端；探测光路系统，用于探测近场探针与检测样品之间的近场相互作用。本发明尤其适用于快速、简单且可重复的精确调整探针和用于近场交互的汇聚激发光对准，具有较高的社会使用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光学探测设备技术领域，具体涉及一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜。
背景技术
近场光学显微镜通过近场探针来实现对光学衍射极限的突破，为了实现较高的空间分辨率，需要近场探针具有尖锐的尖端，比如在原子力显微镜中所使用的尖端。通过物镜等光学元件将激光波束聚焦于探针，将会有部分光子经探针尖端与样品的相互作用而产生散射光，近场光学显微镜通过收集这部分散射光从而获得针尖局域范围的光学信息。
对样品进行近场光学测量的设备存在的问题是探针与探测所需的不同光波束需要独立的精确对准，设备的测量光波束需要精确聚焦到探针处，尤其是探针的尖端位置，此处探针尖端指与样品相互作用的区域，轻微的对准偏差即可造成尖端局域能量密度的明显下降。此外，错误的对准通常会导致假信号的增加，因为探针其他部分所产生的结构散射光会被探测器采集从而造成信号干扰及较低的信噪比。用于近场交互的汇聚激发光束需要尽可能的精确，汇聚焦点最好是处于最优理想位置一个波长的局域范围内。
为此，我们提出了一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜。
发明内容
本发明的目的在于解决或至少缓解现有技术中所存在的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，包括近场光学显微镜的设备基体，安装于设备基体上并用于扫描检测样品的近场探针，所述近场探针由安装于设备基体上的悬臂梁和设置于悬臂梁自由端的探针尖端组成，还包括有：
光源系统，用于提供实现近场交互的激发光束；
近场光路系统，用于探测和引导实现近场交互的激发光束；
至少两个光学定位系统，用于指引激发光束聚焦于探针尖端，且两个光学定位系统相对探针尖端之间的夹角≧30°，两个光学定位系统的共同标定用于在三维层面对探针尖端定位；
探测光路系统，用于探测近场探针与检测样品之间的近场相互作用；
所述光源系统发出的激光探测波束的部分光子经近场光路系统引导至探针尖端，经探针尖端与检测样品的相互作用而产生散射光，探测光路系统收集所述散射光获得探针尖端局域范围的光学信号以获得检测样品的近场光学信息。
可选地，所述光学定位系统包括，
用于发出光学指引波束以定位引导激发光束的光学定位光源；
用于实现激发光束和光学指引波束汇聚于探针尖端的主镜，所述主镜为凹面反射镜，且镜面为旋转对称的光学曲面；
至少两个所述光学定位光源发出的光学指引波束以及光源系统发出的激发光束经主镜反射汇聚于探针尖端，实现光学定位。
可选地，所述主镜镜面反射面的面型为抛物面，抛物面沿光波束传输路径的截线为抛物线，垂直于光波束传输路径的截线为标准圆。
可选地，所述光学定位系统还包括有用于与主镜配合实现对平行于检测样品平面传输光波束管控的配镜，且配镜的反射平面为相对检测样品平面呈45°夹角的反射镜。
可选地，所述配镜为斜面镀反射膜的直角棱镜。
可选地，所述光学定位系统还包括有用于将若干个平行且方向相同传输的独立光路分割为夹角在30°-180°区间方向上传输的副镜，所述独立光路为由主镜上不同区域划分而得的平行光波束传输路径。
可选地，所述主镜安装于设备基体具有三维平动功能的可调平台上，副镜安装于设备基体具有三维旋转功能的可调平台上。
可选地，所述独立光路内包括有分割独立光路为激发光束和指引光束的分割模块，所述分割模块为分束镜或翻转镜。
可选地，所述探针尖端为金属化结构，且探针尖端最尖锐处为探针尖端顶点，探针尖端顶点的曲率半径≦50nm。
可选地，还包括有光学监测系统，用于观察近场探针和检测样品。
本发明实施例提供了一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，具备以下有益效果：
1、本发明通过光学定位系统的设置，由两个光学定位系统的共同标定能够直接消除检测样品三维逐点扫描中的一个维度，使三维扫描变为二维扫描，用于在三维层面对探针尖端定位，有效的提升了探针尖端对准效率，降低操作人员的经验需求。
2、本发明兼容超低温环境和多种光路系统，结合主镜、配镜、副镜可形成双独立光路布局结构，同时允许两个不同的光路系统与针尖进行对准，全反射的光路设计无色差存在，面对多种类型光源将无需进行光路校准。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明实施例二的第一种结构示意图；
图2为本发明实施例二的第二种结构俯视图；
图3为本发明实施例二的第二种结构侧视图；
图4为本发明实施例一的结构示意图；
图5为本发明实施例三的结构示意图；
图6为本发明实施例四的第一种结构示意图；
图7为本发明实施例四的第二种结构示意图。
图中：探针尖端顶点1、探针尖端2、悬臂梁3、样品平面4、独立光路a、独立光路b、独立光路c、独立光路d、主镜10、光学定位光源11、光学监测系统12、配镜13、检测样品14、分割模块15、副镜16。
具体实施方式
下面结合附图1-7和实施例对本发明进一步说明：
实施例1
一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，包括近场光学显微镜的设备基体，设备基体中包括样品台、探针支架以及扫描机构，样品台用于固定样品并在(亚)纳米量级上移动样品，探针支架用于固定近场探针，扫描机构为完整的原子力显微镜(AFM)，在不开启近场光学测量波束的情况下可作为AFM直接使用，还包括有：安装于设备基体上并用于扫描检测样品14的近场探针，所述近场探针由安装于设备基体上的悬臂梁3和设置于悬臂梁3自由端的探针尖端2组成，所述探针尖端2为金属化结构，本实施例中，探针尖端2镀有纳米级别厚度的金属膜，且探针尖端2最尖锐处为探针尖端顶点1，探针尖端顶点1的曲率半径≦50nm，探针尖端顶点1为最优汇聚焦点位置；
光源系统为以激光器为核心的激光源，用于提供实现近场交互的激发光束；
本实施例中，近场光路系统为迈克尔逊干涉仪，能够实现相位干涉信息的测量，用于探测和引导实现近场交互的激发光束，且迈克尔逊干涉仪式的近场光路系统只会占据一条独立光路通道，因而可以将两个不同波段的两个近场光路分别与两个独立光路对接可实现两种近场信息的同步测量；
至少两个光学定位系统，用于指引激发光束聚焦于探针尖端2，且两个光学定位系统相对探针尖端2之间的夹角
且本实施例中，两个光学定位系统相对探针尖端2之间的夹角优选为
两个光学定位系统的共同标定能够直接消除检测样品14三维逐点扫描中的一个维度，使三维扫描变为二维扫描，用于在三维层面对探针尖端2定位，从而有效提升近场信号的捕获效率，同时在实际使用过程中，二维扫描操作仅在设备初次搭建完成后进行，后续使用过程中通常无需扫描，通过手动控制略微优化即可，提高便利性；
探测光路系统，本实施例中包括有探测器，用于探测近场探针与检测样品14之间的近场相互作用；
还包括有光学监测系统12，本实施例中光学监测系统12为传统成像显微镜，用于观察近场探针和检测样品14；
所述光源系统发出的激光探测波束的部分光子经近场光路系统引导至探针尖端2，经探针尖端2与检测样品14的相互作用而产生散射光，探测光路系统收集所述散射光获得探针尖端2局域范围的光学信号以获得检测样品14的近场光学信息。
本实施例中，如图4所示，所述光学定位系统包括，
用于发出光学指引波束以定位引导激发光束的光学定位光源11；
用于实现激发光束和光学指引波束汇聚于探针尖端2的主镜10，所述主镜10为凹面反射镜，且镜面为旋转对称的光学曲面，用于将垂直于样品平面4入射的激发光束和光学指引波束反射到探针尖端2，反射光束主轴与样品平面4的夹角γ为20°-70°，主镜10的垂直面数值孔径≧0.3NA，其中NA为光学系统的数值孔径，优选为≧0.4NA，角度γ的定义如上所述；
数值孔径(NA)由
定义,其中n＝1为空气折射率；
为主镜10允许通过的最大直径光波束相对探针尖端2的最大张角；
所述主镜10镜面反射面的面型为抛物面，抛物面沿光波束传输路径的截线为抛物线，垂直于光波束传输路径的截线为标准圆，所述主镜10安装于设备基体具有三维平动功能的可调平台上，以实现三维平动调节；
至少两个所述光学定位光源11发出的光学指引波束以及光源系统发出的激发光束经主镜10反射汇聚于探针尖端2，实现光学定位。
本实施例中提供的基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，适用于真空、低温环境下的近场光学测量，图4为包含独立光路a的设备侧视图，图中样品平面4与悬臂梁3平行且垂直于进入主镜10的独立光路a，独立光路a为实现近场交互的激发光束的传输范围，且两个光学定位系统的光学定位光源11均位于独立光路a内，探针尖端顶点1为最优汇聚焦点位置；
实际使用时，开启光学定位光源11，由于主镜10的汇聚作用，两个光学定位系统将在主镜10焦点处存在唯一的一个焦斑，通过光学检测系统12(图中未示出)能够观测到位于探针尖端2区域的焦斑数量，通过调节主镜10位置使探针尖端2区域焦斑数量变为一个，此时主镜焦点与探针尖端2对准完成，之后可根据所捕获的散射光强度对主镜10进行手动微调使主镜10焦点达到理想位置。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，如图1-3所示，所述光学定位系统包括，
用于发出光学指引波束以定位引导激发光束的光学定位光源11；
用于实现激发光束和光学指引波束汇聚于探针尖端2的主镜10，所述主镜10为凹面反射镜，且镜面为旋转对称的光学曲面，用于将垂直于样品平面4入射的激发光束和光学指引波束反射到探针尖端2，反射光束主轴与样品平面4的夹角γ为20°-70°，主镜10的垂直面数值孔径≧0.3NA，其中NA为光学系统的数值孔径，优选为≧0.4NA，角度γ的定义如上所述；
数值孔径(NA)由
定义,其中n＝1为空气折射率；
为主镜10允许通过的最大直径光波束相对探针尖端2的最大张角；
所述主镜10镜面反射面的面型为抛物面，抛物面沿光波束传输路径的截线为抛物线，垂直于光波束传输路径的截线为标准圆，所述主镜10安装于设备基体具有三维平动功能的可调平台上，以实现三维平动调节；
用于与主镜10配合实现对平行于检测样品14平面传输光波束管控的配镜13，配镜13为斜面镀反射膜的直角棱镜，且配镜13的反射平面为相对检测样品14平面呈45°夹角的反射镜；本实施例中，配镜13安装紧贴样品平面4但不超过样品平面4。
至少两个所述光学定位光源11发出的光学指引波束以及光源系统发出的激发光束经配镜13的反射到达主镜10并反射汇聚于探针尖端2，实现光学定位。
其他未描述结构参照实施例1。
本实施例中提供的基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，参照附图1-3，图1为包含独立光路a的设备侧视图，图中光学定位系统由光学定位光源11、配镜13、主镜10构成，光学定位光源11所发射的光波束经配镜13-主镜10汇聚在探针尖端2上，光学监测系统12为传统成像显微镜，用于观察悬臂梁3和检测样品14，独立光路a为近场交互激发光的传输范围；
图2为包含独立光路a和独立光路b的设备俯视图，图3为包含独立光路a和独立光路b的设备左视图，图2-3中光学定位系统由光学定位光源11、配镜13、主镜10构成，主镜10用于将独立光路a和独立光路b内传输的光学指引波束和激发光束汇聚于探针尖端顶点1(图2-3中未显示探针尖端2及悬臂梁3，图2中配镜13为主镜10遮挡，图3中配镜13未显示)，激发光束占据独立光路a，两个光学定位系统的光学定位光源11均位于独立光路b内，其发出的两个光学指引波束在图中处于独立光路b的边界且间距最大，
为独立光路直径相对探针尖端顶点1的最大张角，该值由主镜上的最大光学系统的数值孔径(NA)值决定；
实际使用时，参照附图1-3，开启光学定位光源11，由于主镜10的汇聚作用，两个光学定位系统将在主镜10焦点处存在唯一的一个焦斑，通过探测光路系统能够观测到位于探针尖端2区域的焦斑数量，通过调节主镜10位置使探针尖端2区域焦斑数量变为一个，此时主镜焦点与探针尖端2对准完成，之后可根据所捕获的散射光强度对主镜10进行手动微调使主镜10焦点达到理想位置。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于，如图5所示，所述光学定位系统包括，
用于发出光学指引波束以定位引导激发光束的光学定位光源11；
用于实现激发光束和光学指引波束汇聚于探针尖端2的主镜10，所述主镜10为凹面反射镜，且镜面为旋转对称的光学曲面，用于将垂直于样品平面4入射的激发光束和光学指引波束反射到探针尖端2，反射光束主轴与样品平面4的夹角γ为20°-70°，主镜10的垂直面数值孔径≧0.3NA，其中NA为光学系统的数值孔径，优选为≧0.4NA，角度γ的定义如上所述；
数值孔径(NA)由
定义,其中n＝1为空气折射率；
为主镜10允许通过的最大直径光波束相对探针尖端2的最大张角；
所述主镜10镜面反射面的面型为抛物面，抛物面沿光波束传输路径的截线为抛物线，垂直于光波束传输路径的截线为标准圆，所述主镜10安装于设备基体具有三维平动功能的可调平台上，以实现三维平动调节；
用于与主镜10配合实现对平行于检测样品14平面传输光波束管控的配镜13，配镜13为斜面镀反射膜的直角棱镜，且配镜13的反射平面为相对检测样品14平面呈45°夹角的反射镜；
所述独立光路内包括有分割独立光路为激发光束和指引光束的分割模块15，所述分割模块15为分束镜或翻转镜。
至少两个所述光学定位光源11发出的光学指引波束以及光源系统发出的激发光束经配镜13的反射到达主镜10并反射汇聚于探针尖端2，实现光学定位。
其他未描述结构参照实施例2。
本实施例中提供的基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，参照附图5，图5为包含独立光路a、独立光路b和分割模块15的设备示意图，图中光学定位系统由光学定位光源11、配镜13、主镜10构成(配镜13未显示)，主镜10用于将独立光路a和独立光路b内传输的光学指引波束和激发光束汇聚于探针尖端顶点1，且于独立光路b上加装一个分束镜或翻转镜，使独立光路b分割为由光学定位光源11、主镜10构成的光学定位系统和用于传输激发光束的独立光路c，好处在于可以共享独立光路b；通过主镜10来同时实现近场信息探测和探针尖端顶点1的位置指示，探针尖端顶点1可同时通过独立光路a由另一个光学定位光源11进行位置指示，使两个光学定位系统相对探针尖端顶点1的夹角尽可能的大，有利于三维空间的定位精准度；
实际使用时，参照附图5，开启光学定位光源11，由于主镜10的汇聚作用，两个光学定位系统将在主镜10焦点处存在唯一的一个焦斑，通过探测光路系统能够观测到位于探针尖端2区域的焦斑数量，通过调节主镜10位置使探针尖端2区域焦斑数量变为一个，此时主镜焦点与探针尖端2对准完成，之后可根据所捕获的散射光强度对主镜10进行手动微调使主镜10焦点达到理想位置。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于，如图6和7所示，所述光学定位系统包括，
用于发出光学指引波束以定位引导激发光束的光学定位光源11；
用于实现激发光束和光学指引波束汇聚于探针尖端2的主镜10，所述主镜10为凹面反射镜，且镜面为旋转对称的光学曲面，用于将垂直于样品平面4入射的激发光束和光学指引波束反射到探针尖端2，反射光束主轴与样品平面4的夹角γ为20°-70°，主镜10的垂直面数值孔径≧0.3NA，其中NA为光学系统的数值孔径，优选为≧0.4NA，角度γ的定义如上所述；
数值孔径(NA)由
定义,其中n＝1为空气折射率；
为主镜10允许通过的最大直径光波束相对探针尖端2的最大张角；
所述主镜10镜面反射面的面型为抛物面，抛物面沿光波束传输路径的截线为抛物线，垂直于光波束传输路径的截线为标准圆，所述主镜10安装于设备基体具有三维平动功能的可调平台上，以实现三维平动调节；
用于与主镜10配合实现对平行于检测样品14平面传输光波束管控的配镜13，配镜13为斜面镀反射膜的直角棱镜，且配镜13的反射平面为相对检测样品14平面呈45°夹角的反射镜；
用于将若干个平行且方向相同传输的独立光路分割为夹角在30°-180°区间方向上传输的副镜16，所述独立光路为由主镜10上不同区域划分而得的平行光波束传输路径，从而提升对近场探测光路的自由度，提升光路可达性；
所述独立光路内包括有分割独立光路为激发光束和指引光束的分割模块15，所述分割模块15为分束镜或翻转镜；
至少两个所述光学定位光源11发出的光学指引波束以及光源系统发出的激发光束通过副镜16以最大限度的压缩光路光程后，经配镜13的反射到达主镜10并反射汇聚于探针尖端2，实现光学定位，副镜16安装于设备基体具有三维旋转功能的可调平台上，以实现三维旋转调节。
其他未描述结构参照实施例3。
本实施例中提供的基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，参照附图6-7，图6为包含独立光路a、独立光路b、一个分割模块15和副镜16的设备示意图，图中光学定位系统由光学定位光源11、配镜13、主镜10构成(配镜13未显示)，于独立光路b上加装一个分束镜或翻转镜，使独立光路b分割为由光学定位光源11、主镜10构成的光学定位系统和用于传输激发光束的独立光路c，且在配镜13相贴处额外添加了副镜16，由副镜16分割的独立光路b和独立光路c以探针尖端2为交点，主轴为边的角度β为60°-110°，本实施例中，取β为60°，以最大限度的压缩光路光程，提升光路可达性；
图7为包含独立光路a、独立光路b、两个分割模块15和副镜16的设备示意图，图中光学定位系统由光学定位光源11、配镜13、主镜10构成(配镜13未显示)，于独立光路a和独立光路d上分别加装一个分束镜或翻转镜，结合副镜16，使独立光路a和独立光路d能够各自允许两个激发光束分别沿独立光路b和独立光路c的路径经由主镜10汇聚于探针尖端顶点1，也可以实现激发光束汇聚于探针尖端顶点1与对探针尖端顶点1散射光的采集分别位于两个不同的独立光路内，同时实现了两个光学定位光源11经副镜16-配镜13(图中未示出)-主镜10到探针尖端顶点1的夹角达到最大，利于三维空间的定位精准度。
实际使用时，参照附图6-7，开启光学定位光源11，由于主镜10的汇聚作用，两个光学定位系统将在主镜10焦点处存在唯一的一个焦斑，通过探测光路系统能够观测到位于探针尖端2区域的焦斑数量，通过调节主镜10位置使探针尖端2区域焦斑数量变为一个，此时主镜焦点与探针尖端2对准完成，之后可根据所捕获的散射光强度对主镜10进行手动微调使主镜10焦点达到理想位置。
可以理解的是，本申请还可将所述的主镜10由两个面型参数一致的反射镜替代，且两个反射镜分别置于两个三维平动位移台上独立调控，实现同样的目的。
且根据本发明上述实施例的基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，光学定位系统的光学定位光源可安装于近场光路系统中，即激发光束经光源系统出射后与光学指引波束进行空间合束，之后进入近场光路系统，再由近场光路系统进入独立光路。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，包括近场光学显微镜的设备基体，安装于设备基体上并用于扫描检测样品的近场探针，所述近场探针由安装于设备基体上的悬臂梁和设置于悬臂梁自由端的探针尖端组成，其特征在于，还包括有：
光源系统，用于提供实现近场交互的激发光束；
近场光路系统，用于探测和引导实现近场交互的激发光束；
至少两个光学定位系统，用于指引激发光束聚焦于探针尖端，且两个光学定位系统相对探针尖端之间的夹角φ≧30°，两个光学定位系统的共同标定用于在三维层面对探针尖端定位；
探测光路系统，用于探测近场探针与检测样品之间的近场相互作用；
所述光源系统发出的激光探测波束的部分光子经近场光路系统引导至探针尖端，经探针尖端与检测样品的相互作用而产生散射光，探测光路系统收集所述散射光获得探针尖端局域范围的光学信号以获得检测样品的近场光学信息。
2.如权利要求1所述的一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，其特征在于：所述光学定位系统包括，
用于发出光学指引波束以定位激发光束的光学定位光源；
用于实现激发光束和光学指引波束汇聚于探针尖端的主镜，所述主镜为凹面反射镜，且镜面为旋转对称的光学曲面；
至少两个所述光学定位光源发出的光学指引波束以及光源系统发出的激发光束经主镜反射汇聚于探针尖端，实现光学定位。
3.如权利要求2所述的一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，其特征在于：所述主镜镜面反射面的面型为抛物面，抛物面沿光波束传输路径的截线为抛物线，垂直于光波束传输路径的截线为标准圆。
4.如权利要求2所述的一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，其特征在于：所述光学定位系统还包括有用于与主镜配合实现对平行于检测样品平面传输光波束管控的配镜，且配镜的反射平面为相对检测样品平面呈45°夹角的反射镜。
5.如权利要求4所述的一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，其特征在于：所述配镜为斜面镀反射膜的直角棱镜。
6.如权利要求2所述的一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，其特征在于：所述光学定位系统还包括有用于将若干个平行且方向相同传输的独立光路分割为夹角在30°-180°区间方向上传输的副镜，所述独立光路为由主镜上不同区域划分而得的平行光波束传输路径。
7.如权利要求6所述的一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，其特征在于：所述主镜安装于设备基体具有三维平动功能的可调平台上，副镜安装于设备基体具有三维旋转功能的可调平台上。
8.如权利要求6所述的一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，其特征在于：所述独立光路内包括有分割独立光路为激发光束和指引光束的分割模块，所述分割模块为分束镜或翻转镜。
9.如权利要求1所述的一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，其特征在于：所述探针尖端为金属化结构，且探针尖端最尖锐处为探针尖端顶点，探针尖端顶点的曲率半径≦50nm。
10.如权利要求1所述的一种基于探针光学定位系统的近场光学显微镜，其特征在于：还包括有光学监测系统，用于观察近场探针和检测样品。
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