專利名稱:完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及近場光學(xué)掃描顯微鏡，特別是一種完全通過移動光纖探針進(jìn)行掃描的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡。適用于分子生物學(xué)(天然納米結(jié)構(gòu))、納米材料與納米器件(人造納米結(jié)構(gòu))和高密度信息光存儲等。
技術(shù)背景早在1928年Synge預(yù)言，用比波長更小的點源在足夠近的距離內(nèi)照明物體或用比波長更小的點探測器在足夠近的距離內(nèi)探測物體的散射波，分辨率可以突破衍射極限。進(jìn)入80年代以后，以近場掃描光學(xué)顯微鏡為代表的近代顯微術(shù)也就由設(shè)想變成了現(xiàn)實，不僅突破了衍射極限，而且還開辟了如納米光學(xué)、超高密度存儲等一系列新的研究領(lǐng)域。通常的掃描顯微鏡，參見“Scanning near-field optical microscopy with apertureprobesFundamentals 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.采用移動樣品的方式進(jìn)行掃描。這種結(jié)構(gòu)中移動的部件比較分散，對器件間的剛性連接要求不高，有利于裝置的構(gòu)建。但是對于樣品比較大的情況，很難通過移動樣品進(jìn)行掃描，這種結(jié)構(gòu)也就不再適用。特別地對于近場光存儲中記錄裝置與記錄介質(zhì)的情形，記錄裝置與測試裝置分別位于記錄介質(zhì)兩側(cè)，由于記錄介質(zhì)(通常是光盤)是很大的，并且記錄過程要求照明物鏡的焦點位于記錄介質(zhì)表面，通過移動記錄介質(zhì)進(jìn)行掃描是不現(xiàn)實的。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的問題在于克服了上述在先技術(shù)的不足，提供一種完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，它應(yīng)具有掃描范圍大、不受樣品大小限制、高度模塊化、方便組合變換、采用鎖相控制等優(yōu)點，能滿足近場光存儲需求。
本實用新型的基本構(gòu)思是將光纖探針固定于音叉上，通過三維掃描器，包括Z向控制系統(tǒng)和XY掃描器，帶動音叉在樣品表面附近進(jìn)行掃描。當(dāng)光纖探針逼近樣品表面時，光纖探針受到來自樣品表面原子剪切力的作用。這個力將改變音叉的震動，從而可以解調(diào)出探針與樣品之間的距離信息。將該信息反饋給Z向控制系統(tǒng)，以使光纖探針到樣品表面的距離保持一恒定值。從這一反饋信息可以得到樣品表面的形貌。光纖探針收集到的光的強度可以給出了樣品的透過率。
本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種完全通過移動光纖探針進(jìn)行掃描的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，其特征在于包括激光照明系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、樣品架、光纖探針掃描機構(gòu)、三維粗調(diào)裝置、反饋控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的激光照明系統(tǒng)包括激光光源、調(diào)焦裝置和顯微物鏡，激光光源輸出的激光光束與顯微物鏡光軸重合，顯微物鏡固定于調(diào)焦裝置上，該調(diào)焦裝置與計算機相連；所述的監(jiān)視系統(tǒng)包括白光光源、半反半透鏡、光譜分光鏡和CCD圖像采集器，該光譜分光鏡的分光面與激光光源輸出的激光束成45°，白光光源輸出的白光束與半反半透鏡的分光面呈45°，被半反半透鏡反射的白光束被光譜分光鏡反射后與所述的激光束重合，所述的CCD圖像采集器的位置洽可使從樣品表面反射回來的光束在其上成像；
所述的光纖探針掃描機構(gòu)包括光纖探針、音叉、解調(diào)及驅(qū)動電路板、夾具、三維掃描裝置和連接頭，光纖探針固定于音叉的尖端并突出其外，音叉被固定在解調(diào)及驅(qū)動電路板上，夾具將解調(diào)及驅(qū)動電路板(803)與三維掃描裝置連為一體，連接頭將三維掃描裝置與三維粗調(diào)裝置的XY二維調(diào)整架相連接；所述的三維粗調(diào)裝置是由XY二維調(diào)整架和Z向高精度的步進(jìn)馬達(dá)組成的；所述的反饋控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括光電倍增管、前置放大器、鎖相放大器、原子力顯微鏡控制機箱和計算機，光電倍增管的輸入端連接到光纖探針引出的光纖，其輸出端接前置放大器的輸入端，該前置放大器的輸出端連接原子力顯微鏡控制機箱的信號采集輸入端口，調(diào)制與驅(qū)動電路板的輸出端連接鎖相放大器的輸入端，該鎖相放大器的的輸出連接原子力顯微鏡控制機箱的Z向反饋輸入端，光纖探針掃描機構(gòu)的掃描驅(qū)動信號輸入端連接原子力控制機箱的掃描控制輸出端，原子力顯微鏡控制機箱連接到計算機。
所述的樣品架置于顯微物鏡和光纖探針掃描機構(gòu)之間，該樣品架用于夾持樣品。
所述的激光光源是一種輸出的光強度可調(diào)的激光器，或是連續(xù)激光器加上一個聲光調(diào)制器來實現(xiàn)。
所述的調(diào)焦裝置與普通顯微鏡的調(diào)焦系統(tǒng)類似，由計算機控制自動調(diào)焦。
所述的該顯微物鏡具有較大的放大倍數(shù)和數(shù)值孔徑，顯微物鏡的共軛距可以是195或者無窮大。
所述的光譜分光鏡對激光波長高透射，而對白光高反射。
所述的半反半透鏡是分光比例一定的分光鏡。
所述的光電倍增管和前置放大器具有低噪聲、高靈敏度，并且輸出和原子力顯微鏡機箱反饋輸入相匹配。
所述的三維掃描裝置是納米精度平板掃描器，或壓電陶瓷掃描管。
光纖探針的小孔大小依據(jù)系統(tǒng)精度需求、激光波長和三維掃描裝置的精度等因素確定。解調(diào)及驅(qū)動電路板負(fù)責(zé)驅(qū)動音叉震動以及解調(diào)探針的反饋信息，可以采用剪切力反饋方式也可以采用輕敲模式，將光纖探針換成原子力顯微鏡針尖，就可以用作原子力掃描顯微鏡，將光纖探針換成掃描探針顯微鏡針尖，省去鎖相放大器就成為一個掃描探針顯微鏡。夾具將解調(diào)及驅(qū)動電路板和三維掃描裝置連接起來。
所述的三維粗調(diào)裝置可以是三維調(diào)整架，也可以是二維調(diào)整架和高精度的步進(jìn)馬達(dá)等的組合。步進(jìn)馬達(dá)和二維調(diào)整架相接，其步進(jìn)方向垂直于二維調(diào)整架的移動方向。
原子力顯微鏡控制機箱具有三個輸出通道用于XYZ逼近掃描控制，以及兩個輸入通道用于Z向反饋和光纖探針收集的光經(jīng)過光電倍增管和前置放大器之后電信號的電探測采集。
所述的樣品架置于顯微物鏡于光纖探針掃描機構(gòu)之間，能實現(xiàn)兩維掃描時以移動樣品的測量區(qū)域。
本實用新型的工作過程在使用時，激光光源發(fā)出的光束被顯微物鏡聚焦到樣品表面，在樣品表面產(chǎn)生攜帶小于波長的表面形貌信息的倏逝波，光纖探針收集樣品表面的倏逝波并轉(zhuǎn)換成傳導(dǎo)光波，然后傳播到光電倍增管上，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸入到前置放大器進(jìn)行放大，然后輸入原子力顯微鏡控制機箱，最后采集到計算機里，經(jīng)計算機處理后得到樣品的透過率信息。在光纖探針掃描過程中，由于光纖探針受到來自樣品表面原子的剪切力的作用，從而改變音叉的震動，通過解調(diào)電路以及鎖相放大器，可得到光纖探針與樣品表面間的距離信息，即樣品表面的形貌。將該信息反饋給原子力顯微鏡控制機箱的Z向控制系統(tǒng)以使光纖探針到樣品表面的距離保持在恒定值。
與在先技術(shù)相比，本實用新型具有下列優(yōu)點1、采用樣品不動而通過全部移動光纖探針的方式進(jìn)行掃描，掃描范圍大，樣品可以任意大小。
2、由于光纖探針掃描裝置實現(xiàn)了全部掃描功能，可以實現(xiàn)高度模塊化，方便組合變換以滿足其它需求。比如可以采用剪切力反饋方式也可以采用輕敲模式，將光纖探針換成原子力顯微鏡針尖，就可以用作原子力掃描顯微鏡，將光纖探針換成掃描探針顯微鏡針尖，省去鎖相放大器就成為一個掃描探針顯微鏡。
可以滿足近場光存儲中記錄及測試的特殊需求。
整個系統(tǒng)采用鎖相控制，可以消除外界干擾的影響。



圖1為本實用新型的一個具體實施例示意圖。
圖2為本實用新型的光纖探針掃描機構(gòu)示意圖。
圖中1—激光光源 2—反射鏡 3—光譜分光鏡 4—反射鏡 5—調(diào)焦裝置 6—顯微物鏡 7—樣品 8—光纖探針掃描機構(gòu) 801—光纖探針 802—音叉 803—解調(diào)及驅(qū)動電路板 804—夾具 805—壓電陶瓷管 806—連接頭 9—XY調(diào)整架 10—Z向步進(jìn)馬達(dá) 11—光電倍增管 12—鎖相放大器 13—前置放大器 14—原子力顯微鏡控制機箱 15—計算機 16—半反半透鏡 17—CCD圖像采集器 18—白光光源具體實施方式
下面通過具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實用新型的保護范圍。
先請參閱圖1和圖2，圖1時本實用新型一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，一種完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，包括激光照明系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、樣品架、光纖探針掃描機構(gòu)、三維粗調(diào)裝置、反饋控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所述的激光照明系統(tǒng)包括激光光源1、調(diào)焦裝置5和顯微物鏡6，激光光源1輸出的激光光束經(jīng)第一反射鏡2、光譜分光鏡3、第二反射鏡4與顯微物鏡6光軸重合，顯微物鏡6固定于調(diào)焦裝置5上，該調(diào)焦裝置5與計算機15相連；所述的監(jiān)視系統(tǒng)包括白光光源18、半反半透鏡16、光譜分光鏡3和CCD圖像采集器17，該光譜分光鏡3的分光面與激光光源1輸出的激光束成45°，白光光源18輸出的白光束與半反半透鏡16的分光面呈45°，被半反半透鏡16反射的白光束被光譜分光鏡3反射后與所述的激光束重合，所述的CCD圖像采集器17的位置洽可使從樣品表面7反射回來的光束在其上成像；所述的光纖探針掃描機構(gòu)8如圖2所示，包括光纖探針801、音叉802、解調(diào)及驅(qū)動電路板803、夾具804、三維掃描裝置805和連接頭806，光纖探針801固定于音叉802的尖端并突出其外，音叉802被固定在解調(diào)及驅(qū)動電路板803上，夾具804將解調(diào)及驅(qū)動電路板803與三維掃描裝置805連為一體，連接頭806將三維掃描裝置805與三維粗調(diào)裝置的XY二維調(diào)整架9相連接；所述的三維粗調(diào)裝置是由XY二維調(diào)整架9和Z向高精度的步進(jìn)馬達(dá)10組成的；所述的反饋控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括光電倍增管11、前置放大器13、鎖相放大器12、原子力顯微鏡控制機箱14和計算機15，光電倍增管11的輸入端連接到光纖探針801引出的光纖，其輸出端接前置放大器13的輸入端，該前置放大器13的輸出端連接原子力顯微鏡控制機箱14的信號采集輸入端口，調(diào)制與驅(qū)動電路板803的輸出端連接鎖相放大器12的輸入端，該鎖相放大器的12的輸出連接原子力顯微鏡控制機箱14的Z向反饋輸入端，光纖探針掃描機構(gòu)8的掃描驅(qū)動信號輸入端連接原子力控制機箱的掃描控制輸出端，原子力顯微鏡控制機箱14連接到計算機15。
所述的樣品架置于顯微物鏡6和光纖探針掃描機構(gòu)8之間，該樣品架)用于夾持樣品7。
所述的激光光源1是一種輸出的光強度可調(diào)的激光器。
所述的調(diào)焦裝置5與普通顯微鏡的調(diào)焦系統(tǒng)類似，由計算機15控制自動調(diào)焦。
述的該顯微物鏡6具有較大的放大倍數(shù)和數(shù)值孔徑，顯微物鏡的共軛距可以是195或者無窮大。
所述的光譜分光鏡3對激光波長高透射，而對白光高反射。
所述的光電倍增管11和前置放大器13具有低噪聲、高靈敏度，并且輸出和原子力顯微鏡機箱反饋輸入相匹配。
所述的三維掃描裝置805是一壓電陶瓷掃描管。
激光器1發(fā)射的連續(xù)單色平行光束(波長為405nm，與藍(lán)光光存儲波長一致)前進(jìn)的方向上，置有反射鏡2，反射鏡2的反射面與激光器1的輸出光路成135°，在反射光前進(jìn)的方向上置有光譜分光鏡3，光譜分光鏡3的分光面與光束成45°，激光束透過光譜分光鏡3之后，照射到反射鏡4，反射鏡4的反射面與入射到其表面的激光束成135°，然后光束被反射到顯微物鏡6，顯微物鏡6的光軸和光束光軸重合并且通過調(diào)焦系統(tǒng)5的控制，使光束聚焦到樣品7表面。在靠近樣品7另一側(cè)表面，置有光纖探針掃描器機構(gòu)8，光纖探針掃描器機構(gòu)8垂直于樣品7表面，光纖探針掃描器機構(gòu)8固定于XY調(diào)整架9，XY調(diào)整架9與Z向步進(jìn)馬達(dá)10相接。光纖探針掃描器機構(gòu)8分別與光電倍增管11，鎖相放大器12和前置放大器13相連，然后光電倍增管11，鎖相放大器12和前置放大器13連接到原子力顯微鏡控制機箱14，原子力顯微鏡控制機箱14連接到計算機15。在該實施例中為了使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，而加入了反射鏡2和反射鏡4。
監(jiān)視系統(tǒng)用的白光光源18輸出的光束前進(jìn)方向置有半反半透鏡16，半反半透鏡16的分光面與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譜分光鏡3反射后與入射的激光束重合。在白光光源18輸出的光束被反半透鏡16反射后光束的反方向上置有CCD圖像采集器17。
本實用新型的實施例的工作過程激光器1發(fā)射的連續(xù)單色平行光束被反射鏡2反射后，透過光譜分光鏡3，照射到反射鏡4，然后光束被反射到顯微物鏡6，通過調(diào)焦系統(tǒng)5的控制，使光束聚焦到樣品7表面，該調(diào)焦過程在監(jiān)視系統(tǒng)，特別是CCD圖像采集器17的監(jiān)視下進(jìn)行，并由計算機15控制。產(chǎn)生攜帶小于波長的樣品表面形貌信息的倏逝波。在樣品7表面掃描的是固定于音叉802上的光纖探針801，收集樣品7表面的倏逝波，并將其轉(zhuǎn)換成可傳播的光，經(jīng)過光纖傳到光電倍增管11，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再輸入到前置放大器13進(jìn)行放大，然后輸入原子力顯微鏡控制機箱14，最后采集到計算機15里，經(jīng)計算機15處理后得到樣品7的透過率信息。在光纖探針掃描器機構(gòu)8掃描過程中，壓電陶瓷管805帶動固定于其上的解調(diào)及驅(qū)動電路板803做XY兩個方向上的掃描。在這個過程中，由于光纖探針801受到來自樣品7表面原子的剪切力的作用，從而改變音叉802的震動，通過解調(diào)及驅(qū)動電路板803以及鎖相放大器12的放大，而得到光纖探針801與樣品7表面間的距離信息，即樣品7表面的形貌。然后送到計算機15，處理后得到樣品7的形貌，并將該信息反饋給原子力顯微鏡控制機箱14的Z向控制系統(tǒng)以使光纖探針801到樣品7表面的距離保持一恒定值。
權(quán)利要求
1.一種完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，包括激光照明系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、樣品架、光纖探針掃描機構(gòu)、三維粗調(diào)裝置、反饋控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于所述的激光照明系統(tǒng)包括激光光源(1)、調(diào)焦裝置(5)和顯微物鏡(6)，激光光源(1)輸出的激光光束與顯微物鏡(6)光軸重合，顯微物鏡(6)固定于調(diào)焦裝置(5)上，該調(diào)焦裝置(5)與計算機(15)相連；所述的監(jiān)視系統(tǒng)包括白光光源(18)、半反半透鏡(16)、光譜分光鏡(3)和CCD圖像采集器(17)，該光譜分光鏡(3)的分光面與激光光源(1)輸出的激光束成45°，白光光源(18)輸出的白光束與半反半透鏡(16)的分光面呈45°，被半反半透鏡(16)反射的白光束被光譜分光鏡(3)反射后與所述的激光束重合，所述的CCD圖像采集器(17)的位置洽可使從樣品表面(7)反射回來的光束在其上成像；所述的光纖探針掃描機構(gòu)(8)包括光纖探針(801)、音叉(802)、解調(diào)及驅(qū)動電路板(803)、夾具(804)、三維掃描裝置(805)和連接頭(806)，光纖探針(801)固定于音叉(802)的尖端并突出其外，音叉(802)被固定在解調(diào)及驅(qū)動電路板(803)上，夾具(804)將解調(diào)及驅(qū)動電路板(803)與三維掃描裝置(805)連為一體，連接頭(806)將三維掃描裝置(805)與三維粗調(diào)裝置的XY二維調(diào)整架(9)相連接；所述的三維粗調(diào)裝置是由XY二維調(diào)整架(9)和Z向高精度的步進(jìn)馬達(dá)(10)組成的；所述的反饋控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括光電倍增管(11)、前置放大器(13)、鎖相放大器(12)、原子力顯微鏡控制機箱和計算機(15)，光電倍增管(11)的輸入端連接到光纖探針(801)引出的光纖，其輸出端接前置放大器(13)的輸入端，該前置放大器(13)的輸出端連接原子力顯微鏡控制機箱(14)的信號采集輸入端口(141)，調(diào)制與驅(qū)動電路板(803)的輸出端連接鎖相放大器(12)的輸入端，該鎖相放大器的(12)的輸出連接原子力顯微鏡控制機箱(14)的Z向反饋輸入端(142)，光纖探針掃描機構(gòu)(8)的掃描驅(qū)動信號輸入端連接原子力控制機箱的掃描控制輸出端(143)，原子力顯微鏡控制機箱(14)連接到計算機(15)。所述的樣品架(71)置于顯微物鏡(6)和光纖探針掃描機構(gòu)(8)之間，該樣品架(71)用于夾持樣品(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，其特征在于所述的激光光源(1)是一種輸出的光強度可調(diào)的激光器，或是連續(xù)激光器加上一個聲光調(diào)制器來實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，其特征在于所述的調(diào)焦裝置(5)與普通顯微鏡的調(diào)焦系統(tǒng)類似，由計算機(15)控制自動調(diào)焦。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，其特征在于所述的該顯微物鏡(6)具有較大的放大倍數(shù)和數(shù)值孔徑，顯微物鏡的共軛距可以是195或者無窮大。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，其特征在于所述的光譜分光鏡(3)對激光波長高透射，而對白光高反射。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，其特征在于所述的半反半透鏡(16)是分光比例一定的分光鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，其特征在于所述的光電倍增管(11)和前置放大器(13)具有低噪聲、高靈敏度，并且輸出和原子力顯微鏡機箱反饋輸入相匹配。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，其特征在于所述的三維粗調(diào)裝置是一三維調(diào)整架。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1至8任一項所述的完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，其特征在于所述的三維掃描裝置(805)是納米精度平板掃描器，或壓電陶瓷掃描管。
專利摘要
一種完全光纖探針掃描式近場光學(xué)顯微鏡，包括激光照明系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、樣品架、光纖探針掃描機構(gòu)、三維粗調(diào)裝置、反饋控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基本構(gòu)思是將光纖探針固定在音叉上，通過三維掃描器，帶動音叉上的光纖探針在樣品表面附近進(jìn)行掃描。當(dāng)光纖探針逼近樣品表面時，光纖探針受到來自樣品表面原子剪切力的作用。這個力將改變音叉的震動，從而可以解調(diào)出探針與樣品之間的距離信息。將該信息反饋給Z向控制系統(tǒng)，以使光纖探針到樣品表面的距離保持一恒定值。這一反饋信息反映樣品表面的形貌。光纖探針收集到的光的強度給出了樣品的透過率。本實用新型具有掃描范圍大、不受樣品大小限制、高度模塊化、方便組合變換等優(yōu)點。
文檔編號G01Q20/02GKCN2729693SQ200420090065
公開日2005年9月28日 申請日期2004年9月15日
發(fā)明者周飛, 徐文東, 干福熹 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan