專利名稱:一種近場光鑷與afm探針的納操作裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種利用光學手段的納米操作裝置，特別是一種近場光鑷與AFM探針的納操作裝置。
背景技術(shù)：
近年來，自然科學與工程技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢是朝微型化邁進，與此對應的 是，微納米尺度上的操作技術(shù)變得越來越重要。在生物領域的研究中，在使用顯微鏡觀察生 物樣品時，由于溫度的變化細胞或者分子會跳出顯微鏡的視野，操作者必須頻繁地調(diào)節(jié)顯 微鏡以糾正視野，但是如果采用光鑷來固定生物樣品，它將把生物細胞或者分子鉗住，使操 作者能夠更好地觀察細胞和分子，從而減少環(huán)境變化帶來的影響，使觀測結(jié)果更加可靠。在 納米顆粒的研究中，人們也用光鑷來固定并移動納米顆粒，將兩個納米顆?？拷杂^察顆 粒間的相互作用過程，或者將納米顆粒作功能上的排列以構(gòu)成新的納米器件。
光鑷作為一種重要的微納米操作技術(shù)，利用光的動量改變來實現(xiàn)微粒的無接觸、 無損傷捕獲與操作，已在生物學和表面科學等領域得到了廣泛的應用。它利用大數(shù)值孔徑 顯微物鏡形成強會聚光束，激光通過附加光學配件耦合到顯微鏡光學系統(tǒng)中進行微粒操作 時，樣品在光阱的捕獲下保持不動，通過移動載物平臺帶動樣品池來實現(xiàn)微粒的相對運動。 這種常規(guī)光鑷儀器體積龐大，價格昂貴，樣品移動自由度小，工作距離的限制使其很難操作 位于狹窄位置的微粒，也不易實現(xiàn)多光鑷操作，這些固有的缺點限制了常規(guī)光鑷作為生物 粒子微操作工具的應用。利用光纖微透鏡形成光學勢阱的特性，人們將光纖引人光鑷系統(tǒng) 代替顯微物鏡形成會聚光束，同時捕獲并牽引微粒運動代替樣品池的運動，大大提高了操 作的自由度與靈活度，但光纖光鑷也存在一些缺點，比如有時光纖深人樣品池對樣品池有 較大的干擾，液體的表面張力對光纖的移動也存在影響。
常規(guī)光鑷和光纖光鑷都屬于遠場光鑷，遠場光鑷所能捕獲的微粒大小與會聚光束 所形成的光腰尺寸有關(guān)。光腰尺寸越小，所能捕獲的微粒尺寸也越小，但受到光學衍射極限 的限制，遠場光鑷都不能捕獲更小的微粒。最近發(fā)展起來的近場光鑷突破衍射極限，利用探 針尖附近隱失場形成的局域增強場所產(chǎn)生的強梯度力來捕獲納米微粒，有可能實現(xiàn)對幾十 納米至幾納米微粒的捕獲。處于不均勻光場中的納米粒子除受到梯度力作用之外，還受到 外界干擾力(如重力和布朗運動力)的影響，當探針尖出射光場形成的梯度力大于外界干 擾力時，對納米微粒起主導作用的梯度力將微粒捕獲在光強極點附近，在針尖處形成由光 學梯度場產(chǎn)生的光阱。該方法比傳統(tǒng)光鑷更加靈活，光纖探針深人樣品池中增大了粒子的 操作范圍，操作精度也從微米級發(fā)展至納米級，但目前該方法還僅限于理論上的數(shù)值模擬， 近場光纖探針極低的通光效率阻礙了其發(fā)展，偏弱的隱失場導致近場光鑷在液體中捕獲起 來很困難，更難以在真空或空氣中有選擇性地操作納米粒子。此外，近場光鑷對單個納米微 粒的觀測和定位目前主要是通過測量散射光的強弱變化來判斷粒子是否被捕獲，這種方法 往往只能對一群納米粒子的狀況加以判斷，并不適合對單個納米粒子進行觀測和定位。因 為無法直接觀察，尋找并直接定位納米粒子就比較困難，因此要想實現(xiàn)近場光鑷對單個納米粒子的操作，就必須解決單個納米粒子的精確觀測與定位問題。
隨著科技的發(fā)展近場光鑷勢必與其它測試手段相結(jié)合，以便更全面地進行納米操 作。為實現(xiàn)納米微粒的穩(wěn)定操作，光纖探針型近場光鑷必須借助外界輔助獲得足夠強的梯 度力以克服外界干擾力(如重力和布朗運動力)，利用隱失場照明金屬探針引起的尖端近 場增強效應能克服其隱失場偏弱、梯度力不足的問題。在納米操作方法中，由AFM構(gòu)成的微 操作用顯微鏡集成像、力反饋和操作能力于一體，這種系統(tǒng)可對平面上的納米對象進行機 械操作，也可以用于對生物對象進行操作，但單探針只能完成簡單的二維操作，不能對物體 實施抓取及開展相關(guān)研究，更復雜的任務如拾取及擺放等仍未能解決，極大地限制了其柔 性工作能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理，集成激光近場光鑷與AFM探針操作各自優(yōu) 點的納米操作系統(tǒng)，使該系統(tǒng)既具有足夠高的分辨率又能實現(xiàn)高效靈活的操作，可以對納 米微粒進行有效、精確的捕獲與操作。根據(jù)納米操作要求的不同，及時更換并組合相應部件 后可實現(xiàn)更為復雜的納米操作，既能達到精細的結(jié)構(gòu)分辨能力又能實現(xiàn)動態(tài)操作與功能研允。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種近場光鑷與AFM探針的納操作裝置，包括光纖 探針型近場光鑷、微操作用顯微鏡。所述光纖探針型近場光鑷包括有激光器、半波片、偏振 光束分路器、光束分路器、發(fā)射光功率檢測焦耳計、物鏡和光纖耦合器、激光器使用光纖、 XYZ三維調(diào)整臺及間距測控器。其中，所述激光器為氦氖連續(xù)激光器；所述半波片濾波后 輸入至偏振光束分路器；所述光束分路器與所述偏振光束分路器輸出端相連，其一輸出端 連接至發(fā)射光功率檢測焦耳計，其二輸出端與所述物鏡和光纖耦合器連接；所述物鏡和光 纖耦合器的輸出端與所述激光器使用光纖連接；所述激光器使用光纖連接至所述XYZ三 維調(diào)整臺，通過所述間距測控器引入微操作用顯微鏡樣品室。所述微操作用顯微鏡包括帶 顯示器的主機、控制電路、壓電陶瓷掃描管、樣品室、探頭、半導體激光器及四象限位置檢測 器。其中，所述主機內(nèi)含有信息控制采集模塊、操作圖形處理模塊、操作圖形分析模塊、納米 顆粒統(tǒng)計模塊和觀察顯示模塊；所述控制電路包括針尖受力變化信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、使 樣品進行XY向掃描的壓電陶瓷驅(qū)動電路、針尖受力變化的反饋控制系統(tǒng)，其中包括信號放 大、比較電路、增益放大電路和積分電路等、Z軸壓電陶瓷驅(qū)動電路；所述壓電陶瓷掃描管 與所述樣品室連接；所述探頭包括懸臂梁和針尖，懸臂梁由微力彈簧片制成，針尖由鎢、硅、 銀、金、鉬等制成；所述半導體激光器發(fā)出激光照射微懸臂背面，反射激光產(chǎn)生偏移后由所 述四象限位置檢測器檢測。
本發(fā)明的目的還可以通過以下措施來達到采用半導體激光照射微懸臂背面，通 過四象限位置檢測器檢測反射激光產(chǎn)生的偏移量，經(jīng)針尖受力變化反饋系統(tǒng)和Z軸壓電陶 瓷驅(qū)動系統(tǒng)控制針尖Z向移動，通過壓電陶瓷驅(qū)動電路使針尖作XY向掃描。用半波片、偏 振光束分路器和光束分路器對激光進行分路，利用物鏡和光纖耦合器將分路激光耦合進光 纖，依靠間距測控器產(chǎn)生的反饋信息控制XYZ三維調(diào)整臺來帶動光纖探針在XYZ向上的移 動，由XYZ向微位移壓電陶瓷掃描管控制安放納米微粒的樣品室，利用光纖探針和AFM針尖 復合后產(chǎn)生的耦合力效應進行樣品微粒的納米操作。采用微操作用顯微鏡的微機信號處理系統(tǒng)設定掃描范圍、掃描方向、數(shù)據(jù)采集速度和工作模式，進行圖像掃描和數(shù)據(jù)采集，通過 圖像處理程序和顯示系統(tǒng)顯示并分析操作過程與結(jié)果。
上述近場光鑷與AFM探針的納操作裝置，包括微操作用顯微鏡、光纖探針型近場 光鑷，其特征在于經(jīng)過微操作用顯微鏡樣品室與外部的接口將光纖探針型近場光鑷引入 樣品室，借助XYZ三維調(diào)整臺對光纖探針出射隱失光入射至AFM針尖的角度進行校正調(diào)整，通過計算機程序控制壓電陶瓷掃描管使樣品室在平面X軸和Y軸方向上移動，同時利用微 操作用顯微鏡的微機信號處理和顯示系統(tǒng)對納米操作過程進行實時監(jiān)控。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點
1、集成激光近場光鑷與AFM探針操作的優(yōu)點，組合成復合式納米操作系統(tǒng)，能完成復雜操作，極大地提高了其柔性工作能力，并能進行精密、高速的XYZ向控制，極大地增 強了其操作精度。
2、彌補微操作用顯微鏡可以實現(xiàn)更小尺度的操作但選擇性不如激光近場光鑷的 缺點，操作方便，技術(shù)要求不高，可獲取經(jīng)過微操作用顯微鏡操作后更為精細的結(jié)構(gòu)信息， 既具精細的結(jié)構(gòu)分辨能力又能實現(xiàn)動態(tài)操作與功能研究。
3、操作過程中可以避免樣品和微操作用顯微鏡器件的損傷，結(jié)構(gòu)合理，操作與控制機構(gòu)均由現(xiàn)有納米操作系統(tǒng)復合而成，技術(shù)要求不高，成本較低，維修方便。并可根據(jù)納 米操作要求的不同，及時更換并組合相應部件，實現(xiàn)更為復雜的納米操作。


圖1為本發(fā)明近場光鑷與AFM探針的納操作裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1_激光器；2-半 波片；3_偏振光束分路器；4-光束分路器；5-發(fā)射光功率檢測焦耳計；6-物鏡和光纖耦合 器；7-激光器使用光纖；8-XYZ三維操作臺；9-帶顯示器的主機；10-控制電路；11-壓電陶 瓷掃描管；12-樣品室；13-探頭；14-半導體激光器；15-四象限位置檢測器；33-間距測控 器；
圖2為微操作用顯微鏡總體系統(tǒng)原理框圖16_信息控制采集模塊；17-操作圖形 處理模塊；18-操作圖形分析模塊；19-納米顆粒統(tǒng)計模塊；20-觀察顯示模塊；21-數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)；22-壓電陶瓷驅(qū)動電路；23-反饋控制系統(tǒng)；24-Z軸壓電陶瓷驅(qū)動電路；31-示波 器；
圖3為30°入射AFM針尖示意圖25_懸臂梁支撐；26-壓電陶瓷管；27-懸臂梁；28-針尖；
圖4為多近場探針復合式納米操作示意圖32_調(diào)準鏡；
圖5為鍍金屬膜光纖探針示意圖29_鋁金屬膜；30- 二氧化硅纖芯。
具體實施方式
以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明
參照圖1所示，是本發(fā)明近場光鑷與AFM探針的納操作裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括有光纖探針型近場光鑷和微操作用顯微鏡。光纖探針型近場光鑷包括有激光器1、半波片 2、偏振光束分路器3、光束分路器4、發(fā)射光功率檢測焦耳計5、物鏡和光纖耦合器6、激光器使用光纖7、XYZ三維操作臺8及間距測控器33。微操作用顯微鏡包括帶顯示器的主機9、控制電路10、壓電陶瓷掃描管11、樣品室12、探頭13、半導體激光器14、調(diào)準鏡32及四象限 位置檢測器15。其中，激光器1為氦氖連續(xù)激光器，經(jīng)由半波片2濾波后輸入至偏振光束分 路器3，光束分路器4與偏振光束分路器3輸出端相連，其一輸出端連接至發(fā)射光功率檢測 焦耳計5，其二輸出端與物鏡和光纖耦合器6連接。物鏡和光纖耦合器6的輸出端與激光器 使用光纖7連接，將激光器使用光纖7連接至XYZ三維調(diào)整臺8后，通過間距測控器33引 入微操作用顯微鏡樣品室12。其中，主機9內(nèi)含有信息控制采集模塊、操作圖形處理模塊、 操作圖形分析模塊、納米顆粒統(tǒng)計模塊和觀察顯示模塊，控制電路10包括針尖受力變化信 號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、使樣品進行XY向掃描的壓電陶瓷驅(qū)動電路、針尖受力變化的反饋控制 系統(tǒng)，其中包括信號放大、比較電路、增益放大電路和積分電路等、Z軸壓電陶瓷驅(qū)動電路。 壓電陶瓷掃描管11與樣品室12連接，控制樣品室12使其在XY平面內(nèi)作二維移動。參照圖4，半導體激光器14發(fā)出的激光經(jīng)調(diào)準鏡32照射至微懸臂背面后，反射激光所產(chǎn)生偏移 由四象限位置檢測器15檢測。在針尖28-懸臂梁27受力變形測量系統(tǒng)中，半導體激光器 14發(fā)出激光束反射進入四象限位置檢測器15中，轉(zhuǎn)化為電信號后由前置放大器放大后送 給反饋電路，計算機將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，經(jīng)高壓放大后驅(qū)動壓電陶瓷掃描管11在 二維平面掃描。AFM探頭利用一種彈性微懸臂梁27作為傳感器，其一端固定，另一端有針尖 28。AFM針尖28極小的曲率半徑能提高納米操作橫向分辨率，懸臂梁27由微力彈簧片制成， 較低的縱向彈性系數(shù)使測力靈敏度得到提高，極高的橫向剛度則可避免懸臂的側(cè)向變形。
參照圖2、圖3和圖5，微操作用顯微鏡的主機內(nèi)含有信息控制采集模塊16、操作圖 形處理模塊17、操作圖形分析模塊18、納米顆粒統(tǒng)計模塊19和觀察顯示模塊20 ；控制電路 包括針尖受力變化信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)21、使樣品進行XY向掃描的壓電陶瓷驅(qū)動電路22、 針尖受力變化的反饋控制系統(tǒng)23，其中包括信號放大、比較電路、增益放大電路和積分電路 等、Z軸壓電陶瓷驅(qū)動電路24和示波器31 ；探頭包含懸臂梁支撐25、壓電陶瓷管26、懸臂梁 27和針尖28 ；光纖探針由鋁金屬膜29和二氧化硅纖芯30組成。微操作用顯微鏡還具備微 機信號處理和顯示系統(tǒng)，包括樣品操作圖像掃描和數(shù)據(jù)采集、力相關(guān)函數(shù)的控制、采集和處 理及結(jié)果的圖像顯示。
從本發(fā)明的上述實施實例可知，本發(fā)明的光學器件采用全光纖化器件，改變了傳 統(tǒng)光鑷系統(tǒng)因采用復雜的自由空間光學器件所帶來的各器件之間耦合和連接較為復雜、精 密調(diào)整和準直調(diào)整難度較大、系統(tǒng)可靠性降低、系統(tǒng)操作與維護較為麻煩等缺點，使得各光 學器件之間的耦合和連接較為簡單、系統(tǒng)易于復合化，同時也增強了系統(tǒng)的可靠性，此外， 本發(fā)明所公開的納操作裝置中的光纖探針型近場光鑷不會占用微操作用顯微鏡的進光口， 從而便于研究人員的配置使用。
參照圖1、圖4，分析本發(fā)明近場光鑷與AFM探針的納操作裝置進行多探針納米操 作的另一實例。參照圖5，激光耦合入具有納米尺度的光纖探針中，為防止光波泄漏并保證 產(chǎn)生納米尺度的小孔，需在光纖探針外鍍鋁金屬膜29，經(jīng)納米小孔出射的隱失波具有光強 梯度，產(chǎn)生的梯度力可實現(xiàn)納米近場光學操作。根據(jù)波導理論，隨探針孔徑逐漸減小，各種 模式波逐個被截止，當孔徑直徑減小到TE11模的截止直徑時，光矢量變?yōu)樘摂?shù)，此時光強達 到最大值，一部分光在截止平面發(fā)生反射，從截止直徑到出射孔的這段距離由于鋁金屬膜 29對光波的吸收使光波大幅減弱，導致另一部分光穿過截止平面后沿入射方向以指數(shù)形式 迅速衰減。參照圖3，當光纖探針出射的隱失光以30°的角度射向AFM針尖28后，利用AFM探針28的場增強效應可克服近場光鑷中光纖探針出射功率低、隱失場偏弱的問題，利用兩 個近場探針復合后產(chǎn)生的耦合力效應可高效地操作納米微粒。圖中插入的框圖表示激光束 經(jīng)透鏡聚焦到AFM探針的情況，該入射方式易造成器件的損傷，而利用光纖探針照射AFM針 尖時，可避免對微操作用顯微鏡器件的損傷。
復合多近場探針進行納米操作時，首先采用AFM的三維微位移系統(tǒng)將AFM探針28逼近樣品，對單個納米微粒進行精確定位，此后依靠間距測控器33產(chǎn)生的反饋信息控制三 維調(diào)整臺8來帶動光纖探針7，使其逼近AFM探針28并將兩者間的距離保持在納米量級。 接著調(diào)整激光器1的輸出功率，使光纖探針7與AFM探針28的耦合增強場產(chǎn)生的梯度力適 于操作樣品，隨后調(diào)整光纖探針7的位置使之便于實現(xiàn)捕獲。成功捕獲納米微粒后調(diào)整AFM 探針28實現(xiàn)特定的納米操作，借助三維調(diào)整臺8可對光纖探針7進行校正調(diào)整，以使之隨 AFM探針28作同步移動。在納米操作過程中，AFM探針的針尖28固定不動，通過壓電陶瓷 掃描管11由計算機程序控制使樣品室12在平面X軸和Y軸方向上移動，利用微操作用顯 微鏡的微機信號顯示系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。當針尖28與樣品作用時，針尖28和樣品間的作 用力引起硅懸臂梁27變形，引起光反射激光束在檢測器15中的位置發(fā)生改變，在反饋電路 的作用下，微懸臂形變通過壓電陶瓷管伸縮進行補償進而控制AFM探針28的Z向移動。
權(quán)利要求
一種近場光鑷與AFM探針的納操作裝置，包括光纖探針型近場光鑷、微操作用顯微鏡，其特征在于所述光纖探針型近場光鑷包括有激光器、半波片、偏振光束分路器、光束分路器、發(fā)射光功率檢測焦耳計、物鏡和光纖耦合器、激光器使用光纖、XYZ三維調(diào)整臺及間距測控器，其中，所述激光器為氦氖連續(xù)激光器；所述半波片濾波后輸入至偏振光束分路器；所述光束分路器與所述偏振光束分路器輸出端相連，其一輸出端連接至發(fā)射光功率檢測焦耳計，其二輸出端與所述物鏡和光纖耦合器連接；所述物鏡和光纖耦合器的輸出端與所述激光器使用光纖連接；所述激光器使用光纖連接至所述XYZ三維調(diào)整臺，通過所述間距測控器引入微操作用顯微鏡樣品室，所述微操作用顯微鏡包括帶顯示器的主機、控制電路、壓電陶瓷掃描管、樣品室、探頭、半導體激光器及四象限位置檢測器，其中，所述主機內(nèi)含有信息控制采集模塊、操作圖形處理模塊、操作圖形分析模塊、納米顆粒統(tǒng)計模塊和觀察顯示模塊；所述控制電路包括針尖受力變化信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、使樣品進行XY向掃描的壓電陶瓷驅(qū)動電路、針尖受力變化的反饋控制系統(tǒng)，其中包括信號放大、比較電路、增益放大電路和積分電路、Z軸壓電陶瓷驅(qū)動電路；所述壓電陶瓷掃描管與所述樣品室連接；所述探頭包括懸臂梁和針尖，懸臂梁由微力彈簧片制成；所述半導體激光器發(fā)出激光照射微懸臂背面，反射激光產(chǎn)生偏移后由所述四象限位置檢測器檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的近場光鑷與AFM探針的納操作裝置，其特征在于所述的探 頭還包含懸臂梁支撐、壓電陶瓷管；所述的光纖外側(cè)鍍鋁金屬膜，光纖一端為熔融拉錐及燒 結(jié)而成的錐體光纖尖，錐體光纖尖端部開有納米尺度小孔；所述的探頭為接觸式鍍金AFM 硅探針。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的近場光鑷與AFM探針的納操作裝置，其特征在于所述連續(xù) 激光器的激光出口前方安裝分路器，在分路器后安裝有物鏡和光纖耦合器與光纖系統(tǒng)；在 光纖系統(tǒng)的后面安裝XYZ三維調(diào)整臺，光纖固定在三維調(diào)整支架上，且光纖探針出射隱失 光在XYZ三維調(diào)整臺的作用下入射在AFM針尖上。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的近場光鑷與AFM探針的納操作裝置，其特征在于所述XYZ三 維調(diào)整臺和所述壓電陶瓷掃描管通過控制電路分別與微操作用顯微鏡系統(tǒng)的主機相連，所 述主機與計算機控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過反饋線路相連，主機通過控制電路經(jīng)由反饋線路 控制所述Z軸壓電陶瓷驅(qū)動電路。
專利摘要
一種近場光鑷與AFM探針的納操作裝置，它由微操作用顯微鏡與光纖探針型近場光鑷組合而成，經(jīng)微操作用顯微鏡樣品室與外部的接口將光纖探針型近場光鑷引入樣品室后，利用復合產(chǎn)生的耦合力效應對樣品微粒進行納米操作。本發(fā)明集成激光近場光鑷與AFM系統(tǒng)各自的優(yōu)點，使得各器件間的耦合和連接較為簡單、系統(tǒng)易于復合化，增強了系統(tǒng)的可靠性，從而使系統(tǒng)既具有足夠高的分辨率又能實現(xiàn)高效靈活的操作，可以有效地捕獲納米微粒以實現(xiàn)其性質(zhì)研究，為納米技術(shù)領域：
增加了一個精密度更高的操作工具。
文檔編號G01Q60/24GKCN101799482SQ201010102043
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月28日
發(fā)明者劉炳輝, 楊立軍, 王揚 申請人:哈爾濱工業(yè)大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan