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。本发明专利技术具有扫描范围大、不受样品大小限制、高度模块化、方便组合变换等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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 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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术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。 本专利技术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。 本专利技术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，本专利技术具有下列优点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为本专利技术的一个具体实施例示意图。 图2为本专利技术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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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）。...
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：周飞，徐文东，干福熹，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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