微悬臂梁热振动信号测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种微悬臂梁热振动信号测量装置，包括入射光路组件和两路检测光路组件。入射光路组件包括依次沿光传播方向设置的线偏振器、第一分光镜、沃拉斯顿棱镜、第一会聚透镜以及第二分光镜；偏振激光经线偏振器、第一分光镜以及沃拉斯顿棱镜形成两束偏振方向相互垂直的入射线偏振光，经汇聚后分别垂直入射至微悬梁臂的尖端和基片上，分别反射后形成两束偏振方向相互垂直的反射偏振光，并经沃拉斯顿棱镜汇聚在一起并入射至第二分光镜，形成两束检测偏振光。每一检测光路组件均包括光电检测电路，两束检测偏振光分别入射至两路光电检测电路，光电检测电路将光信号转换为电信号后，通过计算两路电信号来得到两束反射线偏振光的相位差。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种微悬臂梁热振动信号测量装置，包括入射光路组件和两路检测光路组件。入射光路组件包括依次沿光传播方向设置的线偏振器、第一分光镜、沃拉斯顿棱镜、第一会聚透镜以及第二分光镜；偏振激光经线偏振器、第一分光镜以及沃拉斯顿棱镜形成两束偏振方向相互垂直的入射线偏振光，经汇聚后分别垂直入射至微悬梁臂的尖端和基片上，分别反射后形成两束偏振方向相互垂直的反射偏振光，并经沃拉斯顿棱镜汇聚在一起并入射至第二分光镜，形成两束检测偏振光。每一检测光路组件均包括光电检测电路，两束检测偏振光分别入射至两路光电检测电路，光电检测电路将光信号转换为电信号后，通过计算两路电信号来得到两束反射线偏振光的相位差。【专利说明】微悬臂梁热振动信号测量装置
本专利技术涉及光学测量领域，且特别涉及一种微悬臂梁热振动信号测量装置。
技术介绍
原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy,AFM)是一种研究材料表面结构的高精 密分析仪器，广泛应用于材料、化学、生物科技、纳米技术等领域，通过检测待测样品与微力 敏元件之间极其微小的原子间作用力来研究物质表面结构和性质。它的主要结构之一为微 悬臂梁，微悬臂梁针尖与样品的相互作用使得微悬臂梁发生形变，使原子力显微镜可以对 极小的作用力进行测量。 热噪声带来的微悬臂梁的振动一热振动，是影响原子力显微镜分辨率的一个重要 因素，对热振动的测量和研究将有助于了解其振动规律，对提高原子力显微镜的分辨率，设 计下一代新型高分辨原子力显微镜具有指导意义。 在现有的原子力显微镜（如Veeco、Asylum)中，采用一束激光通过一定的角度聚 焦在微悬臂梁尖端对其形变进行测量，并经过四象限光电探测器得到振动位移信号。在该 技术中，设备的背景噪声（电子噪声、散射噪声等）远大于其热噪声。在这种情况下，大部 分频率的热振动信号淹没于原子力显微镜的背景噪声中，很难在如此高的背景噪声中对热 振动信号进行有效的测量和研究。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术的不足，提供一种微悬臂梁热振动信号测量装置。 为了实现上述目的，本专利技术提供一种微悬臂梁热振动信号测量装置，包括入射光 路组件和两路检测光路组件。入射光路组件包括依次沿光传播方向设置的线偏振器、第一 分光镜、沃拉斯顿棱镜、第一会聚透镜以及第二分光镜；偏振激光经线偏振器后形成线偏振 光并入射至第一分光镜，改变入射方向后经沃拉斯顿棱镜形成两束偏振方向相互垂直的入 射线偏振光，经第一会聚透镜汇聚后分别垂直入射至微悬梁臂的尖端和基片上，分别反射 后形成两束偏振方向相互垂直的反射偏振光，并经沃拉斯顿棱镜汇聚在一起并入射至第 二分光镜，形成两束检测偏振光。每一检测光路组件均包括光电检测电路，两束检测偏振光 分别入射至两路光电检测电路，光电检测电路将光信号转换为电信号后，通过计算两路电 信号来得到两束反射线偏振光的相位差。 于本专利技术一实施例中，经沃拉斯顿棱镜后形成的两束偏振方向相互垂直的入射线 偏振光间的出光角度为1度?3度，且第一会聚透镜的焦距为25毫米?35毫米。 于本专利技术一实施例中，沃拉斯顿棱镜可活动式设置在第一分光镜和第一会聚透镜 间，且活动的方向为沿线偏振光入射至沃拉斯顿棱镜所在的方向。 于本专利技术一实施例中，线偏振器和第一分光镜间还设置有二分之一波片。 于本专利技术一实施例中，每一检测光路组件均包括依次设置的第二会聚透镜和第三 分光镜，且每一光电检测电路均包括两个光电二极管，检测偏振光经第二汇聚透镜会聚后 经第三分光器分成两束偏振光，分别入射到同一检测光路组件内的两个光电二极管上。 于本专利技术一实施例中，在每一检测光路组件中，第三分光镜的光轴与沃拉斯顿棱 镜的光轴间的夹角呈45度，且沃拉斯顿棱镜的光轴与入射至沃拉斯顿棱镜上的线偏振光 的偏振方向间的夹角呈45度，且在其中一检测光路组件中，检测偏振光入射至第二会聚透 镜前还经过一四分之一波片。 于本专利技术一实施例中，入射光路组件还包括设置在线偏振器前端的激光发生器和 起偏器，激光发生器发出激光，经起偏器起偏后形成偏振光，再入射至线偏振器。 于本专利技术一实施例中，激光发生器为He-Ne激光器。 于本专利技术一实施例中，线偏振器为格兰泰勒棱镜。 于本专利技术一实施例中，第一分光镜和第二分光镜均为立体分光镜，第三分光镜为 方解石棱镜。 经由上述技术方案，入射光路组件形成的两束偏振方向相互垂直的入射线偏振光 垂直入射至微悬梁臂的尖端和基片上，经反射后形成两束偏振方向相互垂直的且具有相位 差的反射线偏振光，并汇聚在一起经第二分光镜后形成两束检测偏振光。本专利技术采用激光 正交相位差分干涉的方法将微悬臂梁因热噪声而产生的热振动振幅转换为两束相互干涉 的反射线偏振光的相位差的方式来实现测量。且两束检测偏振光以差分输入的方式输入至 光电检测电路转换为电信号。差分输入可将两束反射线偏振光内由于背景噪声所产生的信 号相互抵消，降低背景噪声的干扰，实现高精度直接测量微悬臂梁的热振动信号。 为让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例， 并配合附图，作详细说明如下。 【专利附图】【附图说明】 图1所示为本专利技术一实施例提供的微悬臂梁热振动信号测量装置的结构示意图。 图2所示为采用图1所示的微悬臂梁热振动信号测量装置测得的原子力显微镜微 悬臂梁的热振动功率谱、背景噪声功率谱以及采用现有的原子力显微镜测量得到的微悬臂 梁背景噪声功率谱的对比图。 【具体实施方式】 图1所示为本专利技术一实施例提供的微悬臂梁热振动信号测量装置的结构示意图。 图2所示为采用图1所示的微悬臂梁热振动信号测量装置测得的原子力显微镜微悬臂梁的 热振动功率谱、背景噪声功率谱以及采用现有的原子力显微镜测量得到的微悬臂梁背景噪 声功率谱的对比图。请一并参阅图1和图2。 如图1所示，本实施例提供的微悬臂梁热振动信号测量装置包括入射光路组件 100和两路检测光路组件200。入射光路组件100包括依次沿光传播方向设置的线偏振器 110、第一分光镜120、沃拉斯顿棱镜130、第一会聚透镜140以及第二分光镜150。 偏振激光经线偏振器110后形成线偏振光并入射至第一分光镜120。第一分光镜 120改变线偏振光的入射方向。于本实施例中，经第一分光镜120后线偏振光的出射方向与 入射方向垂直。经沃拉斯顿棱镜130形成两束偏振方向相互垂直的第一入射线偏振光K1和 和第二入射线偏振光K2,经第一会聚透镜140汇聚后分别垂直入射至微悬梁臂的尖端和基 片上。分别经反射后形成第一反射线偏振光Kla和第二反射线偏振光K2a经沃拉斯顿棱镜 130汇聚在一起并入射至第二分光镜150,形成第一检测偏振光W1和第二检测偏振光W2。 第一检测偏振光W1和第二检测偏振光W2分别入射至包括有光电检测电路210的 两路检测光路组件200上。光电检测电路210将光信号转换为电信号后，通过计算两路电 信号来得到第一反射偏振光Kla和第二反射偏振光K2a的相位差。相位差的计算可采用快 Ajr 速傅里叶变换的方法在MATLAB等仿真软件中计算得到。并根据公式屮得到微悬臂 梁的热振动振幅，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微悬臂梁热振动信号测量装置，其特征在于，包括：入射光路组件，包括依次沿光传播方向设置的线偏振器、第一分光镜、沃拉斯顿棱镜、第一会聚透镜以及第二分光镜；偏振激光经线偏振器后形成线偏振光并入射至第一分光镜，改变入射方向后经沃拉斯顿棱镜形成两束偏振方向相互垂直的入射线偏振光，经第一会聚透镜汇聚后分别垂直入射至微悬梁臂的尖端和基片上，分别反射后形成两束偏振方向相互垂直的反射偏振光，并经沃拉斯顿棱镜汇聚在一起并入射至第二分光镜，形成两束检测偏振光；两路检测光路组件，每一所述检测光路组件均包括光电检测电路，两束检测偏振光分别入射至两路光电检测电路，光电检测电路将光信号转换为电信号后，通过计算两路电信号来得到两束反射线偏振光的相位差。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李天军，方泽波，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33