ES2265048T3 - Sensor con voladizo y resonador optico. - Google Patents
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Abstract
Un sensor que comprende un voladizo (3), donde una posición del voladizo (3) depende de un parámetro a ser medido, un resonador óptico (15) formado entre dos espejos de reflectantes, donde un primer espejo está dispuesto sobre dicho voladizo (3) y donde una longitud de dicho resonador (15) depende de la posición del voladizo (3), un conjunto de lentes (10) para focalizar la luz sobre el voladizo (3), dicho conjunto de lentes (10) teniendo una superficie de salida (12b) que enfrenta el voladizo (3), donde dicha superficie de salida (12b) es cóncava, caracterizado porque dicha superficie de salida (12b) forma un segundo espejo de dicho resonador (15).
Description
Sensor con voladizo y resonador óptico.
La presente invención se relaciona con un sensor
con voladizo y resonador óptico de acuerdo al preámbulo de la
reivindicación 1.
Los sensores con voladizo y resonador óptico son
por ejemplo usados en aplicaciones de microscopios de fuerza de
barrido, en particular, microscopios de fuerza atómica o
microscopios de fuerza molecular u otros tipos de microscopios de
fuerza de barrido de superficie, pero también en sensores
biológicos, físicos o químicos basados en voladizos.
En este tipo de dispositivos los cambios
pequeños de la posición del voladizo, en particular debido a la
deflexión, deben ser detectados.
Vale la pena hacer notar que tal sensor puede
también ser usado para medir la deflexión del voladizo como una
función de la posición del punto de luz sobre el voladizo. Por lo
tanto, modos de flexión diferentes del voladizo pueden ser medidos.
Esto permite, por ejemplo, mediciones de fricción (torsión del
voladizo) y la detección de varios modos de oscilación (del orden
fundamental longitudinal y más alto así como de torsión).
D. Rugar y otros en Rev. Sci. Instrum.
59(11), 1988, pp. 2337ff y D. Rugar y otros en Appl. Phys.
Lett. 55(25), 1989, pp. 2588ff y EP 398 085 describen un
cabezal del sensor donde el extremo de una fibra óptica está
dispuesto cerca del voladizo. La luz emitida desde el extremo de la
fibra es reflejada desde el voladizo y enviada hacia atrás hacia la
fibra donde interfiere con la luz reflejada desde la interfase
fibra-aire. El patrón de interferencia puede ser
usado para medir la posición del voladizo.
En otra realización conocida, el cabezal del
sensor comprende un resonador óptico, un primer espejo del cual
está dispuesto sobre la superficie del voladizo. Los sensores con
resonadores ópticos están descritos en US 5 565 987 y US 5 465 611.
Si la fineza del resonador es suficientemente alta, puede ser usada
para detectar incluso movimientos muy finos del voladizo.
El documento US2002/0000511 A1 describe un
dispositivo para determinar la deflexión óptica para un AFM que
consiste de un conjunto de lentes para focalizar un punto sobre el
voladizo del AFM. En una realización (observe la figura 3A), el
lente que enfrenta el voladizo es cóncavo.
Sin embargo, se ha encontrado que la estabilidad
de este tipo de resonadores es pobre y depende de manera crítica de
la posición relativa (cartesiana y angular) del voladizo y el
sensor, lo que afecta la fiabilidad del dispositivo. Y, si una
fibra es usada, tendrá que ser llevada muy cerca del voladizo y los
movimientos fuertes del voladizo pueden dañar el extremo de la
fibra.
En adición, pueden ocurrir interacciones
electrostáticas y otras interacciones entre la fibra y el voladizo
que cambien las propiedades mecánicas del voladizo.
Por lo tanto, es un objeto general de la
invención proporcionar un sensor del tipo mencionado anteriormente
que permita una detección precisa del movimiento del voladizo.
Ahora, para implementar estos y aún otros
objetos de la invención, los que serán más fácilmente evidentes
cuando la descripción avance, un cabezal del sensor de acuerdo con
la reivindicación 1 es propuesto.
Así pues, el segundo espejo del resonador óptico
del sensor está formado por la superficie de salida cóncava del
conjunto de lentes. Para formar un espejo del resonador, la
superficie de salida debe ser sustancialmente paralela a los
frentes de ondas de una onda óptica estacionaria en el
resonador.
Preferiblemente, el conjunto de lentes comprende
un lente de salida que tiene una superficie de entrada convexa y
una superficie de salida cóncava, la última formando la superficie
de salida del conjunto de lentes. Este lente puede transformar un
haz de luz divergente o paralelo en un haz de luz convergente
focalizado sobre el voladizo.
Para aumentar la fineza del resonador, la
superficie de salida está preferiblemente recubierta con un
recubrimiento reflectante.
En la descripción y las reivindicaciones, el
término "conjunto de lentes" se entiende que comprende un único
lente o una pluralidad de lentes.
La invención será mejor entendida y objetos
diferentes a aquellos expuestos anteriormente serán evidentes
cuando se tome en consideración la siguiente descripción detallada
de la misma. Tal descripción hace referencia al dibujo anexado,
Fig. 1, el cual muestra parte de un microscopio de barrido de
acuerdo a la presente invención, cuyos componentes individuales
están representados esquemáticamente y no a escala.
La Fig. 1 muestra un microscopio de barrido, en
particular un microscopio de fuerza atómica. Este comprende una
punta 1 para la exploración de una superficie 2. La punta 1 está
unida a un voladizo 3 portado por un cabezal de exploración 4. La
posición del voladizo 3 depende de la fuerza ejercida por la
superficie 2 sobre la punta 1. Esta fuerza provoca una desviación
del voladizo 3 de su posición neutral.
Un sensor óptico está provisto para detectar
esta desviación. El sensor óptico comprende una fuente de luz 5 que
emite la luz 6 con una coherencia temporal suficiente para operar el
resonador descrito anteriormente. La luz desde la fuente 5 pasa un
divisor de haz 7 y es focalizada hacia un primer extremo 8a de una
fibra 8. Preferiblemente, un modo TEM de la fibra 8 es usado para
transmitir la luz.
Un cono de luz 9 sale del segundo extremo 8b de
la fibra 8. El cono de luz 9 impacta sobre el conjunto de lentes
10, el cual lo focaliza sobre una superficie superior plana 3a del
voladizo 3.
El conjunto de lentes 10 está unido al cabezal
de exploración 4. Este comprende un lente de entrada 11 y un lente
de salida 12, los cuales proyectan de manera óptica el segundo
extremo 8b de la fibra óptica 8 sobre el voladizo 3.
El lente de entrada 11 tiene una cara de entrada
plana 11a y una cara de salida convexa 11b. Este recibe la luz
divergente desde el cono de luz 9 y la proyecta como por ejemplo un
haz paralelo 13 sobre el lente de salida 12.
El lente de salida 12 tiene una cara de entrada
convexa 12a y una cara de salida cóncava 12b, siendo la última la
superficie de salida del conjunto de lentes 10. Este focaliza el haz
de luz 13 sobre la superficie 3a del voladizo 3.
La curvatura de la superficie de salida 12b es
seleccionada de manera tal que sea paralela a los frentes de onda
de la luz 14 que sale de allí, es decir no interrumpe los haces de
luz que pasan a través de ella. La superficie de salida 12b es
recubierta con un recubrimiento parcialmente, y de manera preferida
altamente reflectante y la superficie superior 3a del voladizo 3 es
reflectante, de manera preferida altamente reflectante, por ejemplo
siendo también cubierta con un recubrimiento óptico reflectante.
Como resultado, un resonador óptico 15 es formado entre la
superficie de salida 12b y la superficie superior 3a del voladizo 3.
El resonador tiene baja pérdida (por ejemplo menos del 20% por cada
ida y vuelta, preferiblemente menos del 10%). Como es conocido por
la persona experta en el arte, la cantidad de luz que tal resonador
refleja hacia atrás depende estrechamente de la longitud del
resonador.
La luz reflejada desde el resonador óptico 15 es
focalizada hacia atrás hacia la fibra 8 y llega al divisor de haz
7, donde es separada de la luz que llega y proyectada sobre un
detector óptico 16. Como será claro para una persona experta en el
arte, la señal medida por el detector óptico 15 depende de la
longitud del resonador 15 y por lo tanto de la posición del
voladizo 3, el cual permite medir la posición y en particular una
deflexión o torsión del mismo.
El diseño de la presente invención tiene varias
ventajas. Por ejemplo, la distancia entre el conjunto de lentes 10
y el voladizo 3 puede ser varios 100 \mum, lo que disminuye el
riesgo de dañar los componentes ópticos en comparación con los
sensores convencionales que usan fibras. En adición, la interacción
parasítica entre el voladizo y los componentes ópticos es
reducida.
Además, el resonador 15 con un espejo curvado
(superficie 12b) y un espejo plano (superficie 3a) es más estable
que un resonador con dos espejos planos. Ya que la luz es focalizada
sobre el voladizo y consecuentemente está lejos de ser paralela, la
construcción de dicho resonador reduce las pérdidas de luz en la
cavidad comparadas con el uso de dos espejos planos.
La estabilidad más alta del resonador simplifica
la alineación del dispositivo. En particular, el ajuste del ángulo
entre la superficie superior del voladizo 3a y el conjunto de lentes
10 es menos crítico.
Como los rayos de luz no son interrumpidos en la
superficie de salida 12b, el dispositivo trabaja sin reajustar
independiente del medio presente en el resonador 15. En particular,
el mismo sistema puede por ejemplo ser usado para aplicaciones en
el aire, vacío y fluidos, tal como agua o buffers biológicos.
En el ejemplo mostrado hasta ahora, dos lentes
homogéneos 11, 12 fueron usados. Es también posible combinar los
dos lentes en un lente único - sin embargo, tal lente único
necesitaría tener una superficie de entrada bastante curvada para
focalizar un campo de luz que llega divergente 9. Por lo tanto, para
los campos de luz que llega divergente 9, un conjunto de lentes que
tiene al menos dos lentes es preferido.
En lugar de usar lentes homogéneos, es también
posible usar lentes con gradientes del índice de refracción o una
combinación de lentes con gradientes del índice de refracción y
homogéneos. Sin embargo, la superficie de salida del lente de
salida debe ser siempre cóncava y paralela a los frentes de onda que
impactan de la onda estacionaria dentro del resonador 15. En este
aspecto, "una superficie cóncava" es entendida para denotar
que el lente es cóncavo en la superficie dada.
En la realización de la Fig. 1, la luz reflejada
desde el resonador 15 es focalizada hacia atrás hacia la fibra 8.
Es, sin embargo, también posible colocar el divisor de haz 7 entre
la fibra 8 y el conjunto de lentes 10.
En lugar de usar una fibra, la fuente de luz 5
puede también estar localizada directamente antes del ensamble de
lentes 10.
Preferiblemente, la luz que entra al conjunto de
lentes 10 tiene un perfil de intensidad que decae con
(1/exp(r))^{2}, donde r denota la distancia hasta el eje
central del conjunto de lentes 10 - tal perfil del haz, como es
generado cuando se usa un modo TEM de la fibra, permite una
focalización óptima.
El sensor óptico mostrado aquí es apropiado para
medir la deflexión de los voladizos con dimensiones extremadamente
pequeñas (por ejemplo con una longitud de menos de 50 \mum y un
ancho de menos de 10 \mum) y puede ser usado para varias
aplicaciones de microscopios de fuerza de barrido o la medición de
la deflexión de los sensores biológicos, físicos o químicos basados
en voladizos, donde la posición del voladizo depende de un parámetro
a ser medido.
El conjunto de lentes óptico 10 mostrado aquí
puede ser montado sobre un dispositivo de posicionamiento
piezoeléctrico que permite posicionar el punto de luz sobre
diferentes partes del voladizo. Esto permite la medición de la
torsión o deflexión local del voladizo, que puede ser usada para
corregir derivaciones de la distancia entre el voladizo y el
conjunto óptico, para medir las fuerzas de fricción que dan origen a
una torsión del voladizo o para detectar varios modos oscilatorios
longitudinales y de torsión.
El término voladizo es preferiblemente usado en
el sentido clásico, que designa una palanca fijada en un extremo y
que es flexible en el segundo extremo, pero también se entiende que
comprende palancas fijadas en ambos extremos o membranas cuya parte
central es sometida a una desviación a ser medida.
Aunque son mostrados y descritos las
realizaciones presentes preferidas de la invención, debe ser
entendido de manera distintiva que la invención no está limitada a
eso sino que puede haber otras varias formas de realizar y llevar a
la práctica la invención dentro del alcance de las siguientes
reivindicaciones.
Claims (12)
1. Un sensor que comprende
un voladizo (3), donde una posición del voladizo
(3) depende de un parámetro a ser medido,
un resonador óptico (15) formado entre dos
espejos de reflectantes, donde un primer espejo está dispuesto
sobre dicho voladizo (3) y donde una longitud de dicho resonador
(15) depende de la posición del voladizo (3),
un conjunto de lentes (10) para focalizar la luz
sobre el voladizo (3), dicho conjunto de lentes (10) teniendo una
superficie de salida (12b) que enfrenta el voladizo (3), donde dicha
superficie de salida (12b) es cóncava, caracterizado porque
dicha superficie de salida (12b) forma un segundo espejo de dicho
resonador (15).
2. El sensor de la reivindicación 1 donde dicha
superficie de salida (12b) está sustancialmente paralela a los
frentes de onda que impactan de una onda óptica estacionaria dentro
de dicho resonador (15).
3. El sensor de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes donde dicho conjunto de lentes (10)
comprende un lente de salida que tiene una primera cara convexa
(12a) y una segunda cara cóncava (12b), donde dicha segunda cara
(12b) forma dicha superficie de salida.
4. El sensor de la reivindicación 3 donde dicho
conjunto de lentes (10) comprende un lente de entrada (11) para
proyectar un campo de luz que llega
divergente (9) sobre dicho lente de salida.
divergente (9) sobre dicho lente de salida.
5. El sensor de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes que adicionalmente comprende una fibra
óptica (8) donde dicho conjunto de lentes (10) proyecta un extremo
(8b) de dicha fibra óptica (8) sobre dicho voladizo (3).
6. El sensor de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes donde dicha superficie de salida (12b)
esta recubierta con un recubrimiento reflectante.
7. El sensor de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes donde dicho voladizo (3) esta
recubierto con un recubrimiento reflectante.
8. El sensor de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes donde dicha luz no es interrumpida en
la superficie de salida (12b).
9. El sensor de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes donde dicho voladizo (3) es una palanca
que está fija en un primer extremo y que puede ser desviada en un
segundo extremo.
10. El sensor de cualquiera de las
reivindicaciones precedentes donde dicho resonador tiene una pérdida
de menos del 20% por cada ida y vuelta.
11. El conjunto de lentes del sensor de
cualquiera de las reivindicaciones precedentes donde dicho conjunto
de lentes está montado sobre un dispositivo de posicionamiento para
posicionar un punto de luz sobre diferentes partes del
voladizo.
12. Un microscopio de fuerza de barrido con el
sensor de cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
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