CN1587980A - 完全光纤探针扫描式近场光学显微镜 - Google Patents
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Abstract
一种完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，包括激光照明系统、监视系统、样品架、光纤探针扫描机构、三维粗调装置、反馈控制及数据采集系统，基本构思是：将光纤探针固定在音叉上，通过三维扫描器，带动音叉上的光纤探针在样品表面附近进行扫描。当光纤探针逼近样品表面时，光纤探针受到来自样品表面原子剪切力的作用。这个力将改变音叉的震动，从而可以解调出探针与样品之间的距离信息。将该信息反馈给Z向控制系统，以使光纤探针到样品表面的距离保持一恒定值。这一反馈信息反映样品表面的形貌。光纤探针收集到的光的强度给出了样品的透过率。本发明具有扫描范围大、不受样品大小限制、高度模块化、方便组合变换等优点。
Description
技术领域
本发明涉及近场光学扫描显微镜，特别是一种完全通过移动光纤探针进行扫描的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜。适用于分子生物学(天然纳米结构)、纳米材料与纳米器件(人造纳米结构)和高密度信息光存储等。
技术背景
早在1928年Synge预言，用比波长更小的点源在足够近的距离内照明物体或用比波长更小的点探测器在足够近的距离内探测物体的散射波，分辨率可以突破衍射极限。进入80年代以后，以近场扫描光学显微镜为代表的近代显微术也就由设想变成了现实，不仅突破了衍射极限，而且还开辟了如纳米光学、超高密度存储等一系列新的研究领域。通常的扫描显微镜，参见“Scanning near-field optical microscopy with apertureprobes：Fundamentals and applications”，B.Hecht，B.Sick，UP Wild，V.Deckert，R.Zenobi，OJF Martin and DW Pohl，J.Chem.Phys.112(18)(2000)7761-7774.采用移动样品的方式进行扫描。这种结构中移动的部件比较分散，对器件间的刚性连接要求不高，有利于装置的构建。但是对于样品比较大的情况，很难通过移动样品进行扫描，这种结构也就不再适用。特别地对于近场光存储中记录装置与记录介质的情形，记录装置与测试装置分别位于记录介质两侧，由于记录介质(通常是光盘)是很大的，并且记录过程要求照明物镜的焦点位于记录介质表面，通过移动记录介质进行扫描是不现实的。
发明内容
本发明要解决的问题在于克服了上述 在先技术的不足，提供一种完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，它应具有扫描范围大、不受样品大小限制、高度模块化、方便组合变换、采用锁相控制等优点，能满足近场光存储需求。
本发明的基本构思是：
将光纤探针固定于音叉上，通过三维扫描器，包括Z向控制系统和XY扫描器，带动音叉在样品表面附近进行扫描。当光纤探针逼近样品表面时，光纤探针受到来自样品表面原子剪切力的作用。这个力将改变音叉的震动，从而可以解调出探针与样品之间的距离信息。将该信息反馈给Z向控制系统，以使光纤探针到样品表面的距离保持一恒定值。从这一反馈信息可以得到样品表面的形貌。光纤探针收集到的光的强度可以给出了样品的透过率。
本发明的技术解决方案如下：
一种完全通过移动光纤探针进行扫描的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，其特征在于包括激光照明系统、监视系统、样品架、光纤探针扫描机构、三维粗调装置、反馈控制及数据采集系统，
所述的激光照明系统包括激光光源、调焦装置和显微物镜，激光光源输出的激光光束与显微物镜光轴重合，显微物镜固定于调焦装置上，该调焦装置与计算机相连；
所述的监视系统包括白光光源、半反半透镜、光谱分光镜和CCD图像采集器，该光谱分光镜的分光面与激光光源输出的激光束成45°，白光光源输出的白光束与半反半透镜的分光面呈45°，被半反半透镜反射的白光束被光谱分光镜反射后与所述的激光束重合，所述的CCD图像采集器的位置洽可使从样品表面反射回来的光束在其上成像；
所述的光纤探针扫描机构包括光纤探针、音叉、解调及驱动电路板、夹具、三维扫描装置和连接头，光纤探针固定于音叉的尖端并突出其外，音叉被固定在解调及驱动电路板上，夹具将解调及驱动电路板(803)与三维扫描装置连为一体，连接头将三维扫描装置与三维粗调装置的XY二维调整架相连接；
所述的三维粗调装置是由XY二维调整架和Z向高精度的步进马达组成的；
所述的反馈控制及数据采集系统，包括光电倍增管、前置放大器、锁相放大器、原子力显微镜控制机箱和计算机，光电倍增管的输入端连接到光纤探针引出的光纤，其输出端接前置放大器的输入端，该前置放大器的输出端连接原子力显微镜控制机箱的信号采集输入端口，调制与驱动电路板的输出端连接锁相放大器的输入端，该锁相放大器的的输出连接原子力显微镜控制机箱的Z向反馈输入端，光纤探针扫描机构的扫描驱动信号输入端连接原子力控制机箱的扫描控制输出端，原子力显微镜控制机箱连接到计算机。
所述的样品架置于显微物镜和光纤探针扫描机构之间，该样品架用于夹持样品。
所述的激光光源是一种输出的光强度可调的激光器，或是连续激光器加上一个声光调制器来实现。
所述的调焦装置与普通显微镜的调焦系统类似，由计算机控制自动调焦。
所述的该显微物镜具有较大的放大倍数和数值孔径，显微物镜的共轭距可以是195或者无穷大。
所述的光谱分光镜对激光波长高透射，而对白光高反射。
所述的半反半透镜是分光比例一定的分光镜。
所述的光电倍增管和前置放大器具有低噪声、高灵敏度，并且输出和原子力显微镜机箱反馈输入相匹配。
所述的三维扫描装置是纳米精度平板扫描器，或压电陶瓷扫描管。
光纤探针的小孔大小依据系统精度需求、激光波长和三维扫描装置的精度等因素确定。解调及驱动电路板负责驱动音叉震动以及解调探针的反馈信息，可以采用剪切力反馈方式也可以采用轻敲模式，将光纤探针换成原子力显微镜针尖，就可以用作原子力扫描显微镜，将光纤探针换成扫描探针显微镜针尖，省去锁相放大器就成为一个扫描探针显微镜。夹具将解调及驱动电路板和三维扫描装置连接起来。
所述的三维粗调装置可以是三维调整架，也可以是二维调整架和高精度的步进马达等的组合。步进马达和二维调整架相接，其步进方向垂直于二维调整架的移动方向。
原子力显微镜控制机箱具有三个输出通道用于XYZ逼近扫描控制，以及两个输入通道用于Z向反馈和光纤探针收集的光经过光电倍增管和前置放大器之后电信号的电探测采集。
所述的样品架置于显微物镜于光纤探针扫描机构之间，能实现两维扫描时以移动样品的测量区域。
本发明的工作过程：
在使用时，激光光源发出的光束被显微物镜聚焦到样品表面，在样品表面产生携带小于波长的表面形貌信息的倏逝波，光纤探针收集样品表面的倏逝波并转换成传导光波，然后传播到光电倍增管上，将光信号转换成电信号，输入到前置放大器进行放大，然后输入原子力显微镜控制机箱，最后采集到计算机里，经计算机处理后得到样品的透过率信息。在光纤探针扫描过程中，由于光纤探针受到来自样品表面原子的剪切力的作用，从而改变音叉的震动，通过解调电路以及锁相放大器，可得到光纤探针与样品表面间的距离信息，即样品表面的形貌。将该信息反馈给原子力显微镜控制机箱的Z向控制系统以使光纤探针到样品表面的距离保持在恒定值。
与在先技术相比，本发明具有下列优点：
1、采用样品不动而通过全部移动光纤探针的方式进行扫描，扫描范围大，样品可以任意大小。
2、由于光纤探针扫描装置实现了全部扫描功能，可以实现高度模块化，方便组合变换以满足其它需求。比如可以采用剪切力反馈方式也可以采用轻敲模式，将光纤探针换成原子力显微镜针尖，就可以用作原子力扫描显微镜，将光纤探针换成扫描探针显微镜针尖，省去锁相放大器就成为一个扫描探针显微镜.
可以满足近场光存储中记录及测试的特殊需求。
整个系统采用锁相控制，可以消除外界干扰的影响。
附图说明：
图1为本发明的一个具体实施例示意图。
图2为本发明的光纤探针扫描机构示意图。
图中1-激光光源 2-反射镜 3-光谱分光镜 4-反射镜 5-调焦装置 6-显微物镜 7-样品 8-光纤探针扫描机构 801-光纤探针 802-音叉 803-解调及驱动电路板 804-夹具 805-压电陶瓷管 806-连接头 9-XY调整架 10-Z向步进马达 11-光电倍增管 12-锁相放大器 13-前置放大器 14-原子力显微镜控制机箱 15-计算机 16-半反半透镜 17-CCD图像采集器 18-白光光源
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1和图2，图1时本发明一个具体实施例的结构示意图，由图可见，一种完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，包括激光照明系统、监视系统、样品架、光纤探针扫描机构、三维粗调装置、反馈控制及数据采集系统，其特征在于
所述的激光照明系统包括激光光源1、调焦装置5和显微物镜6，激光光源1输出的激光光束经第一反射镜2、光谱分光镜3、第二反射镜4与显微物镜6光轴重合，显微物镜6固定于调焦装置5上，该调焦装置5与计算机15相连；
所述的监视系统包括白光光源18、半反半透镜16、光谱分光镜3和CCD图像采集器17，该光谱分光镜3的分光面与激光光源1输出的激光束成45°，白光光源18输出的白光束与半反半透镜16的分光面呈45°，被半反半透镜16反射的白光束被光谱分光镜3反射后与所述的激光束重合，所述的CCD图像采集器17的位置洽可使从样品表面7反射回来的光束在其上成像；
所述的光纤探针扫描机构8如图2所示，包括光纤探针801、音叉802、解调及驱动电路板803、夹具804、三维扫描装置805和连接头806，光纤探针801固定于音叉802的尖端并突出其外，音叉802被固定在解调及驱动电路板803上，夹具804将解调及驱动电路板803与三维扫描装置805连为一体，连接头806将三维扫描装置805与三维粗调装置的XY二维调整架9相连接；
所述的三维粗调装置是由XY二维调整架9和Z向高精度的步进马达10组成的；
所述的反馈控制及数据采集系统，包括光电倍增管11、前置放大器13、锁相放大器12、原子力显微镜控制机箱14和计算机15，光电倍增管11的输入端连接到光纤探针801引出的光纤，其输出端接前置放大器13的输入端，该前置放大器13的输出端连接原子力显微镜控制机箱14的信号采集输入端口，调制与驱动电路板803的输出端连接锁相放大器12的输入端，该锁相放大器的12的输出连接原子力显微镜控制机箱14的Z向反馈输入端，光纤探针扫描机构8的扫描驱动信号输入端连接原子力控制机箱的扫描控制输出端，原子力显微镜控制机箱14连接到计算机15。
所述的样品架置于显微物镜6和光纤探针扫描机构8之间，该样品架)用于夹持样品7。
所述的激光光源1是一种输出的光强度可调的激光器。
所述的调焦装置5与普通显微镜的调焦系统类似，由计算机15控制自动调焦。
述的该显微物镜6具有较大的放大倍数和数值孔径，显微物镜的共轭距可以是195或者无穷大。
所述的光谱分光镜3对激光波长高透射，而对白光高反射。
所述的光电倍增管11和前置放大器13具有低噪声、高灵敏度，并且输出和原子力显微镜机箱反馈输入相匹配。
所述的三维扫描装置805是一压电陶瓷扫描管。
激光器1发射的连续单色平行光束(波长为405nm，与蓝光光存储波长一致)前进的方向上，置有反射镜2，反射镜2的反射面与激光器1的输出光路成135°，在反射光前进的方向上置有光谱分光镜3，光谱分光镜3的分光面与光束成45°，激光束透过光谱分光镜3之后，照射到反射镜4，反射镜4的反射面与入射到其表面的激光束成135°，然后光束被反射到显微物镜6，显微物镜6的光轴和光束光轴重合并且通过调焦系统5的控制，使光束聚焦到样品7表面。在靠近样品7另一侧表面，置有光纤探针扫描器机构8，光纤探针扫描器机构8垂直于样品7表面，光纤探针扫描器机构8固定于XY调整架9，XY调整架9与Z向步进马达10相接。光纤探针扫描器机构8分别与光电倍增管11，锁相放大器12和前置放大器13相连，然后光电倍增管11，锁相放大器12和前置放大器13连接到原子力显微镜控制机箱14，原子力显微镜控制机箱14连接到计算机15。在该实施例中为了使系统结构更紧凑，而加入了反射镜2和反射镜4。
监视系统用的白光光源18输出的光束前进方向置有半反半透镜16，半反半透镜16的分光面与入射到其上的白光光束成135°，其位置可使反射的白光光束被光谱分光镜3反射后与入射的激光束重合。在白光光源18输出的光束被反半透镜16反射后光束的反方向上置有CCD图像采集器17。
本发明的实施例的工作过程：激光器1发射的连续单色平行光束被反射镜2反射后，透过光谱分光镜3，照射到反射镜4，然后光束被反射到显微物镜6，通过调焦系统5的控制，使光束聚焦到样品7表面，该调焦过程在监视系统，特别是CCD图像采集器17的监视下进行，并由计算机15控制。产生携带小于波长的样品表面形貌信息的倏逝波。在样品7表面扫描的是固定于音叉802上的光纤探针801，收集样品7表面的倏逝波，并将其转换成可传播的光，经过光纤传到光电倍增管11，将光信号转换成电信号，再输入到前置放大器13进行放大，然后输入原子力显微镜控制机箱14，最后采集到计算机15里，经计算机15处理后得到样品7的透过率信息。在光纤探针扫描器机构8扫描过程中，压电陶瓷管805带动固定于其上的解调及驱动电路板803做XY两个方向上的扫描。在这个过程中，由于光纤探针801受到来自样品7表面原子的剪切力的作用，从而改变音叉802的震动，通过解调及驱动电路板803以及锁相放大器12的放大，而得到光纤探针801与样品7表面间的距离信息，即样品7表面的形貌。然后送到计算机15，处理后得到样品7的形貌，并将该信息反馈给原子力显微镜控制机箱14的Z向控制系统以使光纤探针801到样品7表面的距离保持一恒定值。
Claims (9)
1、一种完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，包括激光照明系统、监视系统、样品架、光纤探针扫描机构、三维粗调装置、反馈控制及数据采集系统，其特征在于
所述的激光照明系统包括激光光源(1)、调焦装置(5)和显微物镜(6)，激光光源(1)输出的激光光束与显微物镜(6)光轴重合，显微物镜(6)固定于调焦装置(5)上，该调焦装置(5)与计算机(15)相连；
所述的监视系统包括白光光源(18)、半反半透镜(16)、光谱分光镜(3)和CCD图像采集器(17)，该光谱分光镜(3)的分光面与激光光源(1)输出的激光束成45°，白光光源(18)输出的白光束与半反半透镜(16)的分光面呈45°，被半反半透镜(16)反射的白光束被光谱分光镜(3)反射后与所述的激光束重合，所述的CCD图像采集器(17)的位置洽可使从样品表面(7)反射回来的光束在其上成像；
所述的光纤探针扫描机构(8)包括光纤探针(801)、音叉(802)、解调及驱动电路板(803)、夹具(804)、三维扫描装置(805)和连接头(806)，光纤探针(801)固定于音叉(802)的尖端并突出其外，音叉(802)被固定在解调及驱动电路板(803)上，夹具(804)将解调及驱动电路板(803)与三维扫描装置(805)连为一体，连接头(806)将三维扫描装置(805)与三维粗调装置的XY二维调整架(9)相连接；
所述的三维粗调装置是由XY二维调整架(9)和Z向高精度的步进马达(10)组成的；
所述的反馈控制及数据采集系统，包括光电倍增管(11)、前置放大器(13)、锁相放大器(12)、原子力显微镜控制机箱和计算机(15)，光电倍增管(11)的输入端连接到光纤探针(801)引出的光纤，其输出端接前置放大器(13)的输入端，该前置放大器(13)的输出端连接原子力显微镜控制机箱(14)的信号采集输入端口(141)，调制与驱动电路板(803)的输出端连接锁相放大器(12)的输入端，该锁相放大器的(12)的输出连接原子力显微镜控制机箱(14)的Z向反馈输入端(142)，光纤探针扫描机构(8)的扫描驱动信号输入端连接原子力控制机箱的扫描控制输出端(143)，原子力显微镜控制机箱(14)连接到计算机(15)。
所述的样品架(71)置于显微物镜(6)和光纤探针扫描机构(8)之间，该样品架(71)用于夹持样品(7)。
2、根据权利要求1所述的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，其特征在于所述的激光光源(1)是一种输出的光强度可调的激光器，或是连续激光器加上一个声光调制器来实现。
3、根据权利要求1所述的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，其特征在于所述的调焦装置(5)与普通显微镜的调焦系统类似，由计算机(15)控制自动调焦。
4、根据权利要求1所述的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，其特征在于所述的该显微物镜(6)具有较大的放大倍数和数值孔径，显微物镜的共轭距可以是195或者无穷大。
5、根据权利要求1所述的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，其特征在于所述的光谱分光镜(3)对激光波长高透射，而对白光高反射。
6、根据权利要求1所述的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，其特征在于所述的半反半透镜(16)是分光比例一定的分光镜。
7、根据权利要求1所述的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，其特征在于所述的光电倍增管(11)和前置放大器(13)具有低噪声、高灵敏度，并且输出和原子力显微镜机箱反馈输入相匹配。
8、根据权利要求1所述的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，其特征在于所述的三维粗调装置是一三维调整架。
9、根据权利要求1至8任一项所述的完全光纤探针扫描式近场光学显微镜，其特征在于所述的三维扫描装置(805)是纳米精度平板扫描器，或压电陶瓷扫描管。
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