CN210269909U - 一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，包括物镜组件和设置在样品上方的探头装置，所述物镜组件位于探头装置上方；所述探头装置包括激光器、微悬臂探针和激光接收器；所述激光器发射的激光经过微悬臂探针的悬臂梁背面反射后被激光接收器接收。本实用新型的物镜组件完全处于探头装置上方，因此不会影响到物镜组件的物镜切换，从而实现了与常规光学显微镜的联用，并且探头装置仅包括了激光器、微悬臂探针和激光接收器，内部构造简单，且不会降低入射激光的光强和样品观测的分辨率。本实用新型作为一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置可广泛应用于扫描探针显微镜等纳米表征领域中。

Description

一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置

技术领域

本实用新型涉及扫描探针显微镜等纳米表征领域，尤其涉及一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置。

背景技术

自1982年扫描隧道显微镜(STM)出现以后，又陆续发展出了一系列工作原理相似的新型显微技术，主要包括原子力显微镜(AFM)、横向力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、近场光学显微镜(SNOM)、压电力显微镜(PFM)、扫描探针声学显微镜(SPAM)等，由于它们都是利用探针对被测样品进行扫描，同时检测扫描过程中探针与样品的相互作用(如样品-探针间的相互作用力等)，得到样品相关性质(如形貌、摩擦力、磁畴结构等)，因而统称为扫描探针显微镜(SPM)。

扫描探针显微镜具有很高的分辨率，但受高精度压电驱动器运动行程的限制，其检测范围一般在100μm以内，在实际应用中，只能观测到样品的局部而不能观测到样品的整体。随着扫描探针显微镜的不断普及和应用领域的拓展，在如细胞生物学、分子生物学、微电子、纳米材料科学等领域的实际应用中，由于样品的不均匀性，需要检测的结构及探针定位精度要求达到1μm以上，这就要求配套的光学显微镜具有更高的分辨率，而高分辨光学显微镜必须通过缩短物镜工作距离(指成像时物镜前端离样品的距离)，来提升物镜的数值孔径(NA)，确保其具备足够分辨率。

现有技术的第一种扫描探针显微镜探头，该扫描探针显微镜探头采用的方案是尽量缩小激光束反射镜20的体积，使光学显微镜的物镜(即物镜组件1)可以更加接近微悬臂探针4 和样品11，如图1所示，在样品11和微悬臂探针4上方为光学显微镜的高倍物镜(即物镜组件1)腾出空间，使得光学显微镜的分辨率优于1μm。虽然这一技术为高分辨光学显微镜留出物镜空间，但是这个物镜空腔30只能容纳单一的高倍长焦物镜，如果采用常规的带有物镜转换器的多物镜光学显微镜，并选定某一物镜进行观测成像时，旁边物镜顶到物镜空腔30 边缘，可能使其无法进入工作距离，造成光学显微镜无法工作；而且当物镜进入物镜空腔30 后，物镜会受物镜空腔30限制在水平面上没有移动空间，使得物镜转换器无法通过旋转进行多物镜的切换。因此该结构探头只能配合特殊设计的光学显微镜工作，不能实现与常规光学显微镜的联用。另外，还有如图2所示的现有技术的第二种扫描探针显微镜探头结构，该探头通过增加3个反射镜20和1个半反半透反射镜21来改变探针入射和反射激光束的方向，使激光器3和激光接收器5下置，“样品-微悬臂探针”体系正上方完全腾空。激光器3发出的激光经过1个反射镜20和1个半反半透反射镜21到达微悬臂探针4的悬臂梁，激光在悬臂梁的反射后再经过2个反射镜20到达激光接收器5。这种激光器3和激光接收器5下置的探头结构可以为常规的带有物镜转换器的多物镜光学显微镜物镜(即为物镜组件1)留出工作空间，但探头结构的改变带来的问题是：位于微悬臂探针4正上方的半反半透反射镜21使得入射激光只有一半能够打到微悬臂探针4的悬臂梁背面来用于微悬臂探针4的运动检测，从而使入射激光光强损失一半；同时位于微悬臂探针4正上方的半反半透反射镜21也使得样品11的光学信号只有一半能被光学显微镜系统的物镜收集，故物镜的有效数值孔径减小近半，而光学显微镜系统的实际分辨率也降低一半左右，故难以实现高于1μm的高分辨光学成像和定位；此外，下置的激光器、接收器及相关的调节机构限制了样品腔的大小，无法满足大尺寸样品检测的要求；再加上此探头结构复杂、加工、装配调试、操作使用困难，实用性低。因此，现有技术手段存在不能实现与常规光学显微镜的联用或结构复杂和实用性较低的缺点。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置。

鉴于此，本实用新型所采用的第一技术方案是：一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，包括物镜组件和设置在样品上方的探头装置，所述物镜组件位于探头装置上方；所述探头装置包括激光器、微悬臂探针和激光接收器；所述激光器发射的激光经过微悬臂探针的悬臂梁背面反射后被激光接收器接收。

进一步，所述激光器采用光纤耦合输出半导体激光器，所述光纤耦合输出半导体激光器包含聚光透镜。

进一步，所述激光接收器采用四象限光斑接收器。

进一步，所述聚光透镜为汇聚微透镜。

进一步，还包括光斑信号前置放大器，所述光斑信号前置放大器的输入端与四象限光斑接收器的输出端相连。

进一步，所述探头装置还包括内部中空的壳体，所述激光器、微悬臂探针和激光接收器设置于所述壳体的内部，所述壳体位于物镜组件下方处设有第一开口，所述壳体位于样品上方处设有与第一开口对应的第二开口，所述微悬臂探针穿过第二开口。

进一步，还包括探头底座装置，所述探头底座装置包括探头底座、三维压电扫描器、运动滑块、螺杆和步进电机。

进一步，所述三维压电扫描器安装于运动滑块上，所述三维压电扫描器设置在样品的下方，所述步进电机驱动螺杆转动，带动运动滑块上下移动，从而使得三维压电扫描器上下移动。

进一步，所述壳体的高度为12mm以内。

本实用新型的有益效果是：本实用新型一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置由于物镜组件完全处于探头装置上方，因此不会影响到物镜组件的物镜切换，从而实现了与常规光学显微镜的联用；而探头装置仅包括了激光器、微悬臂探针和激光接收器，省去了半反半透反射镜，内部构造简单，且不会降低入射激光的光强和样品观测的分辨率。进一步，本实用新型由于使用光纤耦合输出半导体激光器来作为激光输入，所述光纤耦合输出半导体激光器占用空间非常小，形成扁平化结构，使得样品与物镜的距离非常短，从而使得样品观测能达到更高的分辨率。

附图说明

图1是现有技术的第一种扫描探针显微镜的探头光路示意图；

图2是现有技术的第二种扫描探针显微镜的探头光路示意图；

图3是本实用新型实施例基于扫描探针显微镜的激光检测装置的实物结构示意图；

图4是本实用新型一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置第一具体实施例的光路示意图；

图5是本实用新型一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置第二具体实施例的光路示意图；

图6是本实用新型一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置最优具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图3和图4所示，本实用新型一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，包括物镜组件1和设置在样品11上方的探头装置2，所述物镜组件1位于探头装置2上方；所述探头装置包括激光器3、微悬臂探针4和激光接收器5；所述激光器3发射的激光经过微悬臂探针4的悬臂梁背面反射后被激光接收器5接收。

其中，物镜组件1包括了物镜转换盘和不同倍数的物镜，最优方案为物镜组件位于探头装置正上方，探头装置位于样品正上方；第二种方案为：物镜组件位于探头装置左上方，样品位于探头装置左上方；第三种方案为：物镜组件位于探头装置右上方，样品位于探头装置右上方；任何一种方案皆可使得物镜组件1、探头装置2的微悬臂探针4和样品11位于同一竖面，使得样品处于光学显微镜的焦点上；由于探头装置上方完全腾空，使得带有物镜转换盘的物镜组件可以任意切换不同倍镜，不仅使用更加方便，还实现了与常规光学显微镜的联用，而探头装置2中仅仅包括激光器3、微悬臂探针4和激光接收器5，无论是安装和操作都会简单方便得多，具有较高的实用性，探头装置2完全位于样品11上方，且探针为探头装置 2下方的最低点，使得本实用新型不会对样品的空间尺寸造成限制，可以实现大样品的检测功能，而由于本实用新型省去了半反半透反射镜，因此使用光学显微镜观测样品时可以不受干扰地直接观测，避免了因反射激光而造成激光的光强的损失，同时避免了样品光学信号的损失，提高了样品观测的分辨率。所述探头装置中的装置优先采用扁平化结构的装置，所述扁平化结构的特点为高度非常小，这样可以满足高倍物镜的短工作距离的要求，从而获得非常高的观测分辨率。

作为本实用新型的优选实施例，如图5所示，所述激光器3采用光纤耦合输出半导体激光器6，所述光纤耦合输出半导体激光器6包含聚光透镜7。所述聚光透镜7主要用于将半导体激光器发出的激光束聚焦起来，不易出现激光束的损失，所述光纤耦合输出半导体激光器 6具有体积小、驱动控制简单、高可靠性等优点，使得探头装置极大地缩小了占用的空间，从而使得样品到物镜的距离满足光学显微镜的工作需要。

作为本实用新型的优选实施例，如图5所示，所述激光接收器5采用四象限光斑接收器 8。使用四象限光斑接收器8有利于接收探针反射后再次发散的激光束，并根据激光束的变化得出被测样品的形状，使得检测效果更加准确。

作为本实用新型的优选实施例，所述聚光透镜7为汇聚微透镜。汇聚微透镜具有体积小、重量轻、便于集成化、阵列化等优点，符合扁平化结构的特点，汇聚微透镜小巧轻便，在达到聚光的效果的同时还不会影响到观测的准确性。

作为本实用新型的优选实施例，如图5所示，还包括光斑信号前置放大器9，所述光斑信号前置放大器9的输入端与四象限光斑接收器8的输出端相连。所述光斑信号前置放大器 9是用于放大四象限光斑接收器8产生的电信号，反射的激光束被四象限光斑接收器8接收后产生光生电流，产生的光生电流经过光斑信号前置放大器9放大输出电信号。因为四象限光斑接收器8是通过光电转换产生电信号的，而这种电信号通常都是及其微弱的，因此需要设置光斑信号放大器来对产生的电信号进行加强，有利于提高检测的准确性。

作为本实用新型的优选实施例，如图5所示，所述探头装置2还包括内部中空的壳体10，所述激光器3、微悬臂探针4和激光接收器5设置于所述壳体10的内部，所述壳体10位于物镜组件1下方处设有第一开口，所述壳体10位于样品上方处设有与第一开口对应的第二开口，所述微悬臂探针4穿过第二开口。壳体的作用主要是提供保护作用，因为本实用新型是非常小巧的，很容易受到不经意的破坏，因此需要壳体来保护内部结构和装置，保证了本实用新型在使用时的稳定性和安全性，壳体上的第一开口和第二开口为上下相对的，保证物镜组件、微悬臂探针和样品位于同一竖直平面，壳体在光学显微镜的观测过程不会挡住观测视线。

作为本实用新型的优选实施例，如图3和图6所示，还包括探头底座装置12，所述探头底座装置12包括探头底座13、三维压电扫描器14、运动滑块15、螺杆16和步进电机17。所述探头底座装置12主要用于对样品起到支撑和推送作用，便于样品的检测和观测。

作为本实用新型的优选实施例，如图6所示，所述三维压电扫描器14安装于运动滑块 15上，所述三维压电扫描器14设置在样品11的下方，所述步进电机17驱动螺杆16转动，带动运动滑块15上下移动，从而使得三维压电扫描器上下移动。当所述步进电机17驱动螺杆16顺时针或逆时针旋转时，带动运动滑块15上下移动，使得所述三维压电扫描器14随运动滑块15上下移动，从而使得样品11接触或离开微悬臂探针4。所述螺杆采用精密螺杆，所述步进电机采用精密步进电机，由于本实用新型所用到的观测场景是非常小型的，在对样品做一些移动和推送操作时必须要做到精细，因此使用精密螺杆和精密步进电机来对样品进行精确地移动，可保护探针不受损伤。

作为本实用新型的优选实施例，所述壳体10的高度为12mm以内。当所述壳体10的高度低于12mm时，采用长焦物镜工作距离13mm的100倍长焦物镜可以使得观测分辨率达到0.5微米，基本达到目前光学显微技术的分辨率极限。

本实用新型的工作原理是：激光器发射激光，激光经过微悬臂探针反射后射入激光接收器，激光接收器接收激光而产生电信号，当样品移动时，样品不均匀的表面对微悬臂探针产生相互作用力，从而使得微悬臂探针反射的激光发生变化，进而使得激光接收器因接收反射的激光而产生的电信号发生改变，这样通过对激光接收器接收的电信号进行分析就可以得出样品表面的形状特征。此外，由于本实用新型省去了半反半透反射镜，使得物镜组件与样品之间没有阻碍物，因此使用光学显微镜可以不降低其分辨率而非常精确地观测被检测的样品。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于，包括物镜组件(1)和设置在样品(11)上方的探头装置(2)，所述物镜组件(1)位于探头装置(2)上方；所述探头装置包括激光器(3)、微悬臂探针(4)和激光接收器(5)；所述激光器(3)发射的激光直接到达微悬臂探针(4)并经过微悬臂探针(4)的悬臂梁背面反射后被激光接收器(5)接收。

2.根据权利要求1所述一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于，所述激光器(3)采用光纤耦合输出半导体激光器(6)，所述光纤耦合输出半导体激光器(6)包含聚光透镜(7)。

3.根据权利要求2所述一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于，所述激光接收器(5)采用四象限光斑接收器(8)。

4.根据权利要求3所述一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于，所述聚光透镜(7)为汇聚微透镜。

5.根据权利要求3所述一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于，还包括光斑信号前置放大器(9)，所述光斑信号前置放大器(9)的输入端与四象限光斑接收器(8)的输出端相连。

6.根据权利要求1所述一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于，所述探头装置(2)还包括内部中空的壳体(10)，所述激光器(3)、微悬臂探针(4)和激光接收器(5)设置于所述壳体(10)的内部，所述壳体(10)位于物镜组件(1)下方处设有第一开口，所述壳体(10)位于样品上方处设有与第一开口对应的第二开口，所述微悬臂探针(4)穿过第二开口。

7.根据权利要求1-6任一项所述一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于，还包括探头底座装置(12)，所述探头底座装置(12)包括探头底座(13)、三维压电扫描器(14)、运动滑块(15)、螺杆(16)和步进电机(17)。

8.根据权利要求7所述一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于，所述三维压电扫描器(14)安装于运动滑块(15)上，所述三维压电扫描器(14)设置在样品(11)的下方，所述步进电机(17)驱动螺杆(16)转动，带动运动滑块(15)上下移动，从而使得三维压电扫描器上下移动。

9.根据权利要求6所述一种基于扫描探针显微镜的激光检测装置，其特征在于，所述壳体(10)的高度为12mm以内。

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