基于石英音叉的扫描近场光学显微镜成像系统

摘要

一种基于石英音叉的扫描近场光学显微镜成像系统，该系统包括：一石英音叉；一压电陶瓷扫描台，所述石英音叉用圆头螺丝固定在压电陶瓷扫描台上；一锁相放大器，其端口1、端口2通过PCB板与石英音叉的两端相连；一光电倍增管，其输入端通过一滤光片组与收集光纤探针相连；一激光器，其输出端与一激发光纤探针相连；一控制箱，其端口与光电倍增管的输出端相连，其端口与锁相放大器的端口3相连，其端口3与压电陶瓷扫描台相连；一电脑，其输入端与控制箱的端口4相连。本发明可以提高现有的近场光学显微镜的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及显微镜成像系统技术领域，特别是指一种基于石英音叉的 扫描近场光学显微镜成像系统

背景技术

纳米技术已成为当今世界科技发展的重要技术之一，对人类探索未知 领域具有重大的推动作用。原子力显微镜及扫描电子显微镜等高分辨率仪 器已成为纳米技术领域研究的重要工具。但原子力显微镜只能测量样品的 形貌特征，对样品所包含的成分信息却无能为力，扫描电子显微镜虽然具 有分辨率高，使用方便，成像时间短等优点，但其具有和原子力显微镜相 同的弱点。

众所周知，根据瑞利判据，光学成像系统的分辨率R≥0.61λ/NA，其 中λ为光波的波长，NA＝n sinθ为光学成像系统的数值孔径。在传统光 学成像系统中，提高分辨率的方法有以下几种：①使用更短的光波长；② 增大光学系统的数值孔径。但这两种办法只能在有限的范围内提高系统的 分辨率。随着人们研究的深入，出现了一种能突破光学衍射极限的显微镜 一近场光学显微镜，它的出现解决了长期困扰人们的光学显微镜分辨率问 题。近场光学显微镜探测的是局域在被测样品表面的隐逝场，它不受传统 光学衍射极限的限制，因此能探测到传统光学显微镜所不能探测的信息。 目前，近场光学显微镜所采用的控制技术基本都是基于石英音叉探针的， 以石英音叉代替了原子力显微镜的微悬臂梁。但是，这种近场光学显微镜 系统也存在其不足之处。一般的近场光学显微镜使用一种石英音叉探针， 它是将针尖大小为100nm的光纤探针用环氧树脂胶粘在石英音叉的一个自 由振动臂上，然后通过驱动石英音叉在其共振频率处振动，从而带动光纤 探针在样品表面振动，从而得到所需要的样品信息。但是由于光纤探针是 粘贴在音叉的一个振动臂上，这种外加的质量使石英音叉的有效质量及弹 性常数发生变化，从而使音叉的品质因数剧烈减小，而品质因数直接影响 了探针的灵敏度，因此，传统近场光学显微镜的灵敏度很低。而且，将一 个尖端大小是100nm的光纤探针粘贴在石英音叉的一个振动臂上，这需要 很精细的机械结构去调节安装，否则得到的带音叉的光纤探针极有可能不 合格，也浪费了经过多种工艺得到的锥形光纤探针，增加了系统的成本， 限制了它的广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于石英音叉的扫描近场光学显微镜成 像系统，以提高现有的近场光学显微镜的灵敏度。

为了达到上述目的，本发明提出了一种基于石英音叉的扫描近场光学 显微镜成像系统，该系统包括：

一石英音叉；

一压电陶瓷扫描台，所述石英音叉用圆头螺丝固定在压电陶瓷扫描台 上：

一锁相放大器，其端口1、端口2通过PCB板与石英音叉的两端相连；

一光电倍增管，其输入端通过一滤光片组与收集光纤探针相连；

一激光器，其输出端与一激发光纤探针相连；

一控制箱，其端口与光电倍增管的输出端相连，其端口与锁相放大器 的端口3相连，其端口3与压电陶瓷扫描台相连；

一电脑，其输入端与控制箱的端口4相连。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的一种基于石英音叉的扫描近场光学显微镜成像系统， 采用将待测样品置于石英音叉上，通过检测探针逼近样品时流过石英音叉 电流的变化来控制探针与样品的距离，该系统具有体积小，结构简单，成 本低等特点。

2、本发明提出的一种基于石英音叉的扫描近场光学显微镜成像系统， 采用将光纤探针与石英音叉分立开的方法，提高了系统的品质因数，增强 了系统的灵敏度。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容及特点，结合以下附图及实施方式做详 细的描述，其中：

图1是本发明设计的一种基于石英音叉的扫描近场光学显微镜成像系 统的结构示意图。

图2是图1中扫描器部分的放大顶视图。

具体实施方式

如图1及图2所示，本发明提出的一种基于石英音叉的扫描近场光学 显微镜成像系统，该系统包括：

一石英音叉1，其中石英音叉1为去掉金属外壳的圆柱形封装、振动 频率为32.768kHz的石英晶振，有两个振动臂，为U字型；

一压电陶瓷扫描台2，所述石英音叉1用圆头螺丝3固定在压电陶瓷 扫描台2上，其中压电陶瓷扫描台2为高精度三维压电陶瓷扫描台；

一锁相放大器4，其是双相数字锁相放大器，端口1、端口2通过PCB 板10(图2中)与石英音叉1的两端相连，端口1输出32.768kHz的正弦信 号加在石英音叉1的一端，使石英音叉1在其固有频率处振荡，端口2检 测流过石英音叉1的电流，并将其转换成电压信号从端口3输出；

一光电倍增管5，其输入端通过一滤光片组9与收集光纤探针12相连； 所述光电倍增管5的一侧有一窗口；所述滤光片组9固定于光电倍增管5 的窗口上，该滤光片组9包括第一滤光片和第二滤光片，第一滤光片的通 光波长为500-800nm，第二滤光片的通光波长为300-680nm；滤光片组9 的传输效率应大于90％、光密度值大于5，根据所用激光器6波长的不同， 滤光片组9的通光波长也应不同；

其中石英音叉1的两引脚焊接在PCB板10上，圆头螺丝3将PCB板 10固定在压电陶瓷扫描台2上，石英音叉1的一个振动臂上放置待测样品， 石英音叉1作为力的传感器，用于探测收集光纤探针12与样品之间的距 离，同时石英音叉1作为载样台，用于承载样品进行扫描成像；其所述收 集光纤探针12是一个采用腐蚀法制得的锥形光纤探针；所述收集光纤探 针12的通光波长是4001000nm，通光效率大于10^-5，其尖端尺寸小于 100nm；

一激光器6，其输出端与一激发光纤探针11相连，其中激光器6是波 长为473nm，输出功率小于10mW的半导体激光器；

一控制箱7，其端口1与光电倍增管5的输出端相连，其端口2与锁 相放大器4的输出端相连，其端口3与压电陶瓷扫描台2相连；

一电脑8，其输入端与控制箱7的端口4相连，通过软件控制所述锁 相放大器4及控制箱7；

系统工作时，将样品置于石英音叉1的一个振动臂上，当收集光纤探 针12慢慢逼近样品时，锁相放大器4探测石英音叉1的电流变化，控制 箱7的端口3控制压电陶瓷扫描台2的Z轴，使石英音叉1的电流保持在 一个恒定值，驱动压电陶瓷扫描台2，使其带动石英音叉1及样品在X，Y 方向运动。一方面，根据压电陶瓷扫描台2在Z方向的位移得到待测样品 的形貌像。另一方面，激光器6激发待测样品，收集光纤探针12收集样 品的近场光学信息，经光电倍增管5将其转化成电信号送入控制7箱的端 口1，得到待测样品的近场光学像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。