基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及顯微鏡成像系統(tǒng)技術(shù)領域，特別是指一種基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)
【背景技術(shù)】
[0002]納米技術(shù)已成為當今世界科技發(fā)展的重要技術(shù)之一，對人類探索未知領域具有重大的推動作用。原子力顯微鏡及掃描電子顯微鏡等高分辨率儀器已成為納米技術(shù)領域研宄的重要工具。但原子力顯微鏡只能測量樣品的形貌特征，對樣品所包含的成分信息卻無能為力，掃描電子顯微鏡雖然具有分辨率高，使用方便，成像時間短等優(yōu)點，但其具有和原子力顯微鏡相同的弱點。
[0003]眾所周知，根據(jù)瑞利判據(jù)，光學成像系統(tǒng)的分辨率R多0.61 λ/NA，其中λ為光波的波長，NA = n sine為光學成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。在傳統(tǒng)光學成像系統(tǒng)中，提高分辨率的方法有以下幾種:①使用更短的光波長；?增大光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。但這兩種辦法只能在有限的范圍內(nèi)提高系統(tǒng)的分辨率。隨著人們研宄的深入，出現(xiàn)了一種能突破光學衍射極限的顯微鏡一近場光學顯微鏡，它的出現(xiàn)解決了長期困擾人們的光學顯微鏡分辨率問題。近場光學顯微鏡探測的是局域在被測樣品表面的隱逝場，它不受傳統(tǒng)光學衍射極限的限制，因此能探測到傳統(tǒng)光學顯微鏡所不能探測的信息。目前，近場光學顯微鏡所采用的控制技術(shù)基本都是基于石英音叉探針的，以石英音叉代替了原子力顯微鏡的微懸臂梁。但是，這種近場光學顯微鏡系統(tǒng)也存在其不足之處。一般的近場光學顯微鏡使用一種石英音叉探針，它是將針尖大小為10nm的光纖探針用環(huán)氧樹脂膠粘在石英音叉的一個自由振動臂上，然后通過驅(qū)動石英音叉在其共振頻率處振動，從而帶動光纖探針在樣品表面振動，從而得到所需要的樣品信息。但是由于光纖探針是粘貼在音叉的一個振動臂上，這種外加的質(zhì)量使石英音叉的有效質(zhì)量及彈性常數(shù)發(fā)生變化，從而使音叉的品質(zhì)因數(shù)劇烈減小，而品質(zhì)因數(shù)直接影響了探針的靈敏度，因此，傳統(tǒng)近場光學顯微鏡的靈敏度很低。而且，將一個尖端大小是10nm的光纖探針粘貼在石英音叉的一個振動臂上，這需要很精細的機械結(jié)構(gòu)去調(diào)節(jié)安裝，否則得到的帶音叉的光纖探針極有可能不合格，也浪費了經(jīng)過多種工藝得到的錐形光纖探針，增加了系統(tǒng)的成本，限制了它的廣泛應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，以提高現(xiàn)有的近場光學顯微鏡的靈敏度。
[0005]為了達到上述目的，本發(fā)明提出了一種基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0006]—石英音叉；
[0007]一壓電陶瓷掃描臺，所述石英音叉用圓頭螺絲固定在壓電陶瓷掃描臺上:
[0008]一鎖相放大器，其端口 1、端口 2通過PCB板與石英音叉的兩端相連；
[0009]一光電倍增管，其輸入端通過一濾光片組與收集光纖探針相連；
[0010]一激光器，其輸出端與一激發(fā)光纖探針相連；
[0011]一控制箱，其端口與光電倍增管的輸出端相連，其端口與鎖相放大器的端口 3相連，其端口 3與壓電陶瓷掃描臺相連；
[0012]—電腦，其輸入端與控制箱的端口 4相連。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
[0014]1、本發(fā)明提出的一種基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，采用將待測樣品置于石英音叉上，通過檢測探針逼近樣品時流過石英音叉電流的變化來控制探針與樣品的距離，該系統(tǒng)具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低等特點。
[0015]2、本發(fā)明提出的一種基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，采用將光纖探針與石英音叉分立開的方法，提高了系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)，增強了系統(tǒng)的靈敏度。
【附圖說明】
[0016]為了進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，結(jié)合以下附圖及實施方式做詳細的描述，其中:
[0017]圖1是本發(fā)明設計的一種基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是圖1中掃描器部分的放大頂視圖。
【具體實施方式】
[0019]如圖1及圖2所示，本發(fā)明提出的一種基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:
[0020]一石英音叉1，其中石英音叉I為去掉金屬外殼的圓柱形封裝、振動頻率為32.768kHz的石英晶振，有兩個振動臂，為U字型；
[0021]一壓電陶瓷掃描臺2，所述石英音叉I用圓頭螺絲3固定在壓電陶瓷掃描臺2上，其中壓電陶瓷掃描臺2為高精度三維壓電陶瓷掃描臺；
[0022]—鎖相放大器4，其是雙相數(shù)字鎖相放大器，端口 1、端口 2通過PCB板10 (圖2中)與石英音叉I的兩端相連，端口 I輸出32.768kHz的正弦信號加在石英音叉I的一端，使石英音叉I在其固有頻率處振蕩，端口 2檢測流過石英音叉I的電流，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號從端口 3輸出；
[0023]一光電倍增管5，其輸入端通過一濾光片組9與收集光纖探針12相連；所述光電倍增管5的一側(cè)有一窗口 ；所述濾光片組9固定于光電倍增管5的窗口上，該濾光片組9包括第一濾光片和第二濾光片，第一濾光片的通光波長為500_800nm，第二濾光片的通光波長為300-680nm ;濾光片組9的傳輸效率應大于90%、光密度值大于5，根據(jù)所用激光器6波長的不同，濾光片組9的通光波長也應不同；
[0024]其中石英音叉I的兩引腳焊接在PCB板10上，圓頭螺絲3將PCB板10固定在壓電陶瓷掃描臺2上，石英音叉I的一個振動臂上放置待測樣品，石英音叉I作為力的傳感器，用于探測收集光纖探針12與樣品之間的距離，同時石英音叉I作為載樣臺，用于承載樣品進行掃描成像；其所述收集光纖探針12是一個采用腐蝕法制得的錐形光纖探針；所述收集光纖探針12的通光波長是4001000nm，通光效率大于10_5，其尖端尺寸小于10nm ；
[0025]一激光器6，其輸出端與一激發(fā)光纖探針11相連，其中激光器6是波長為473nm，輸出功率小于1mW的半導體激光器；
[0026]一控制箱7，其端口 I與光電倍增管5的輸出端相連，其端口 2與鎖相放大器4的輸出端相連，其端口 3與壓電陶瓷掃描臺2相連；
[0027]一電腦8，其輸入端與控制箱7的端口 4相連，通過軟件控制所述鎖相放大器4及控制箱7 ；
[0028]系統(tǒng)工作時，將樣品置于石英音叉I的一個振動臂上，當收集光纖探針12慢慢逼近樣品時，鎖相放大器4探測石英音叉I的電流變化，控制箱7的端口 3控制壓電陶瓷掃描臺2的Z軸，使石英音叉I的電流保持在一個恒定值，驅(qū)動壓電陶瓷掃描臺2，使其帶動石英音叉I及樣品在X，Y方向運動。一方面，根據(jù)壓電陶瓷掃描臺2在Z方向的位移得到待測樣品的形貌像。另一方面，激光器6激發(fā)待測樣品，收集光纖探針12收集樣品的近場光學信息，經(jīng)光電倍增管5將其轉(zhuǎn)化成電信號送入控制7箱的端口 1，得到待測樣品的近場光學像。
[0029]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 一石英音叉； 一壓電陶瓷掃描臺，所述石英音叉用圓頭螺絲固定在壓電陶瓷掃描臺上； 一鎖相放大器，其端口 1、端口 2通過PCB板與石英音叉的兩端相連； 一光電倍增管，其輸入端通過一濾光片組與收集光纖探針相連； 一激光器，其輸出端與一激發(fā)光纖探針相連； 一控制箱，其端口與光電倍增管的輸出端相連，其端口與鎖相放大器的端口 3相連，其端口 3與壓電陶瓷掃描臺相連； 一電腦，其輸入端與控制箱的端口 4相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，其中石英音叉有兩個振動臂，為U字型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，其中待測樣品放置在石英音叉的一個振動臂上；石英音叉作為力的傳感器，用于探測收集光纖探針與樣品之間的距離，同時石英音叉作為載樣臺，用于承載樣品進行掃描成像。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，其中收集光纖探針是一個采用腐蝕法制得的錐形光纖探針。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，其中收集光纖探針的通光波長是400-1000nm，通光效率大于1(Γ5，尖端尺寸小于lOOnm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，其中光電倍增管的一側(cè)有一窗口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，其中濾光片組固定于光電倍增管的窗口上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，其中濾光片組包括第一濾光片和第二濾光片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，其中第一濾光片的通光波長為500-800nm，第二濾光片的通光波長為300_680nm。
【專利摘要】一種基于石英音叉的掃描近場光學顯微鏡成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：一石英音叉；一壓電陶瓷掃描臺，所述石英音叉用圓頭螺絲固定在壓電陶瓷掃描臺上；一鎖相放大器，其端口1、端口2通過PCB板與石英音叉的兩端相連；一光電倍增管，其輸入端通過一濾光片組與收集光纖探針相連；一激光器，其輸出端與一激發(fā)光纖探針相連；一控制箱，其端口與光電倍增管的輸出端相連，其端口與鎖相放大器的端口3相連，其端口3與壓電陶瓷掃描臺相連；一電腦，其輸入端與控制箱的端口4相連。本發(fā)明可以提高現(xiàn)有的近場光學顯微鏡的靈敏度。
【IPC分類】G01Q60-18
【公開號】CN104777331
【申請?zhí)枴緾N201510179862
【發(fā)明人】楊惠霞, 漆曉瓊, 謝亮
【申請人】中國科學院半導體研究所
【公開日】2015年7月15日
【申請日】2015年4月16日