近场光学显微镜探针位置控制及信号采集技术的研究

摘要

扫描近场光学显微镜SNOM (Scanning Near-field Optical Microscope)是上世纪八十年代出现的新型显微仪器。与传统的光学显微镜相比，它能够突破衍射极限的限制，达到亚波长的分辨率；与原子力显微镜等非光学显微镜相比，它以光子作为信息传递载体，可以对样品进行无损伤扫描，对样品的形态、导电性限制极少，还可以通过吸收、散射、反射、偏振等光学特性来揭示样品丰富的物理和化学性质。它在物理、化学、生物、医学、信息产业等领域均有广泛的应用前景。本文在深入分析传统光学显微镜分辨率受到限制的原因后，讨论了可以突破衍射极限的隐失场产生的原理和存在条件。在此基础上确定了近场光学显微镜的技术要点，并以此为依据设计了实验系统的总体结构。近场光学显微镜系统由主机、电路两部分构成。其中主机主要包括系统隔震、整体机械结构的搭建、激光耦合、探针位置控制，微位移执行以及近场信号采集任务的完成；电路部分主要提供各种参考信号、通过计算机控制各驱动器位移的执行、信号以及光电信号的处理。本文还使用时域有限差分法，对光纤探针出射电磁场分布进行了仿真，分别对不同针尖孔径和探针锥角角度对出射光强的影响作了理论上的讨论，为探针的选用提供了理论依据。本文采用基于石英晶体正、逆压电效应的剪切力探针-样品间距控制方法，分别用石英音叉和压电陶瓷片作为剪切力探测器件，实现了纳米级的间距控制。并对二者的实际效果进行了对比，最终选定压电陶瓷片为系统所用。通过对微弱信号检测理论以及噪声抑制的相关方法的研究，本文采用了基于光电倍增管和锁相放大器的光电信号检测电路，并用自制光斩波器为锁相放大器提供参考信号，在达到设计的要求的同时降低了成本。经实验验证，本文设计的近场光学显微镜运行良好，实现了光纤探针的位置控制，能够成功接收近场信号。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 近场光学显微镜的发展概况

1.3 近场光学显微镜的应用

1.4 课题的主要研究内容

第2章 扫描近场光学显微镜工作原理

2.1 传统光学显微镜的分辨率与衍射极限

2.1.1 瑞利判据

2.1.2 传统显微镜的分辨本领

2.2 物体的精细结构与隐失场

2.2.1 空间频率与物体精细结构

2.2.2 傅立叶光学角谱方法分析隐失场的概念

2.2.3 用光学窗口模拟近场探测

2.3 本章小结

第3章 近场光学显微镜基本结构

3.1 近场光学显微镜基本工作原理

3.2 近场光学显微镜的不同工作方式

3.2.1 透射式近场光学显微镜

3.2.2 反射式近场光学显微镜

3.2.3 无孔导光探针近场光学显微镜

3.3 SNOM结构设计

3.3.1 隔震台

3.3.2 纳米级精度数字微动台

3.3.3 X，Y轴粗扫描模块

3.3.4 Z轴粗逼近模块

3.3.5 光源、照明电路模块

3.3.6 光电接收模块

3.3.7 光纤探针的制作

3.4 本章小结

第4章 用FDTD算法对探针传输特性的仿真

4.1 时域有限差分方法简介

4.1.1 麦克斯韦方程组和Yee元胞

4.1.2 二维直角坐标中的FDTD基本公式

4.1.3 FDTD边界吸收条件

4.1.4 探针模型

4.2 仿真结果与讨论

4.2.1 不同探针孔径d对出射光强的影响

4.2.2 不同探针锥角θ对出射光强的影响

4.3 本章小结

第5章 基于剪切力的探针、样品间距控制

5.1 基于石英音叉的剪切力探测

5.1.1 石英晶体特性的理论分析

5.1.2 音叉的频响特性曲线分析

5.1.3 实验方法及数据分析

5.2 基于压电陶瓷片的剪切力探测

5.3 本章小结

第6章 近场信号的采集与实验数据分析

6.1 近场信号采集系统

6.1.1 光电信号收集部分

6.1.2 锁相放大器基本原理

6.1.3 自制光斩波器设计

6.2 光电信号处理与参考信号的产生

6.2.1 电流、电压变换及放大电路

6.2.2 高通滤波及TTL电平输出电路

6.3 实验数据分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢