專(zhuān)利名稱(chēng):基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。
背景技術(shù)：
納米光學(xué)的研究對(duì)光學(xué)技術(shù)提出了一系列新的挑戰(zhàn)，例如在光學(xué)成像領(lǐng)域要求觀測(cè)更微小的細(xì)節(jié)，在光學(xué)存儲(chǔ)領(lǐng)域要求產(chǎn)生更小的記錄點(diǎn)，在光學(xué)操縱領(lǐng)域要求捕獲更細(xì)小的微粒，在光譜探測(cè)領(lǐng)域要求研究更精細(xì)的結(jié)構(gòu)等等。這些挑戰(zhàn)的根本要求在于提高光學(xué)分辨率，然而衍射極限卻嚴(yán)重制約這一進(jìn)程的發(fā)展。探尋突破光學(xué)衍射極限已經(jīng)有很久的歷史，至到上世紀(jì)末期掃描探針顯微鏡發(fā)明之后才有了比較成熟的技術(shù)方法，即掃描近 場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，其基本原理是通過(guò)納米尺度的近場(chǎng)光纖探針，將樣品表面幾十納米范圍內(nèi)攜帶精細(xì)信息的隱失場(chǎng)耦合到遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，并通過(guò)掃描獲得超衍射極限分辨率的光學(xué)成像，其空間分辨率能達(dá)到幾十納米的水平。掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡發(fā)明之后，性能和功能都得到不斷的提高和發(fā)展，已經(jīng)被用于多個(gè)前沿研究領(lǐng)域并發(fā)揮了重要作用，成為微納尺度下光學(xué)研究的重要技術(shù)手段，現(xiàn)在已經(jīng)有較為成熟的商業(yè)產(chǎn)品(如以色列Nanonics、俄羅斯NT-MDT、德國(guó) Witec 等)。
隨著納米科學(xué)研究的不斷深入，對(duì)納米材料和器件進(jìn)行多種信息綜合表征的需求日益迫切，因此掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡與其它技術(shù)方法整合聯(lián)用成為一個(gè)重要的發(fā)展方向，對(duì)于提高現(xiàn)有的納米光學(xué)表征技術(shù)并推動(dòng)納米光學(xué)研究的發(fā)展具有重大意義。目前商用掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡普遍存在體積較大、操控不夠靈活等問(wèn)題，因此在與其它技術(shù)和設(shè)備整合聯(lián)用時(shí)，必需對(duì)其靈活性和操縱性進(jìn)行改善。此外在對(duì)納米材料和器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，現(xiàn)有的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡形貌成像速度慢、搜索和定位樣品效率低，并且成像景深極小(只能獲得表面形貌)，無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)起伏較大的樣品成像，從而妨礙了其應(yīng)用范圍的推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，其既具有超衍射極限的光學(xué)分辨能力，同時(shí)又具有大范圍移動(dòng)的靈活性和多自由度操作能力，占用空間小，非常便于與其他顯微表征手段相結(jié)合，形成納米材料和器件的綜合表征測(cè)試系統(tǒng)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，包括
一微納操作臂；
—石英音叉，該石英音叉固定于微納操作臂的前端，該石英音叉包括兩個(gè)音叉臂和一個(gè)輸入端及一輸出端；
一近場(chǎng)光纖探針，該近場(chǎng)光纖探針固定于石英音叉的一個(gè)音叉臂上；
—樣品掃描臺(tái)，該樣品掃描臺(tái)位于石英音叉的下方；[0010]—正弦信號(hào)發(fā)生器，該正弦信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端與石英音叉的輸入端相連接;
一前置鎖相放大器，該前置鎖相放大器的輸入端與石英音叉的輸出端相連接；
—控制箱，其輸入端與前置鎖相放大器的輸出端連接，其一輸出端與微納操作臂的輸入端相連接，另一輸出端與樣品掃描臺(tái)的輸入端相連接；
一探測(cè)器和/或光源，該探測(cè)器和/或光源與近場(chǎng)光纖探針相連接；
其中控制箱一方面操縱微納操作臂攜帶的近場(chǎng)光纖探針接近置于樣品掃描臺(tái)上的樣品的表面，并通過(guò)檢測(cè)石英音叉的振幅變化控制近場(chǎng)光纖探針在垂直方向上保持與樣品表面之間的距離恒定，控制箱另一方面驅(qū)動(dòng)樣品掃描臺(tái)帶動(dòng)樣品在水平方向上掃描獲得樣品表面的近場(chǎng)光學(xué)和/或近場(chǎng)光譜圖像。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)既能夠借助近場(chǎng)光學(xué)探測(cè)方法獲得超衍射極限分辨率的光學(xué)信息，又能夠借助微納操作臂獲得移動(dòng)尺度大、操作靈活、成像范圍廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性，可高效、直觀，準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量和成像，并且便于與多種顯微表征手段相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米材料和器件的微觀形態(tài)、物質(zhì)成分、分子結(jié)構(gòu)和功能的綜合表征。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍，其中
圖I是本發(fā)明實(shí)施例的基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例與掃描電子顯微鏡聯(lián)用的示意圖；
圖3是圖2中的光纖真空法蘭13的示意圖；
圖4a是本發(fā)明實(shí)施例與正置光學(xué)顯微鏡聯(lián)用的示意圖；
圖4b是本發(fā)明實(shí)施例與倒置光學(xué)顯微鏡聯(lián)用的示意圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖I所示，本發(fā)明提供一種基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，包括
一微納操作臂I ;
一石英音叉2，該石英音叉2固定于微納操作臂I的前端，該石英音叉2包括兩個(gè)音叉臂和一個(gè)輸入端及一輸出端；
一近場(chǎng)光纖探針3，該近場(chǎng)光纖探針3固定于石英音叉2的一個(gè)音叉臂91上，其中近場(chǎng)光纖探針3的材料為石英光纖,通光波長(zhǎng)為400nm-1600nm,探針尖端尺寸小于200nm ；
—樣品掃描臺(tái)4,該樣品掃描臺(tái)4位于石英音叉2的下方,該樣品掃描臺(tái)4為三維壓電陶瓷掃描臺(tái)；
—正弦信號(hào)發(fā)生器5,該正弦信號(hào)發(fā)生器5的信號(hào)輸出端與石英音叉2的輸入端相連接；
—前置鎖相放大器6,該前置鎖相放大器6的輸入端與石英音叉2的輸出端相連接；、[0029]—控制箱7,其輸入端與前置鎖相放大器6的輸出端連接,其一輸出端與微納操作臂I的輸入端相連接，另一輸出端與樣品掃描臺(tái)4的輸入端相連接；
一探測(cè)器和/或光源8，該探測(cè)器和/或光源8與近場(chǎng)光纖探針3相連接，所述探測(cè)器和/或光源8中的探測(cè)器是光電探測(cè)器、光功率計(jì)、CCD或光譜分析儀，或及其組合，所述探測(cè)器和/或光源8中的光源是白光光源、激光二極管或者激光器；
—樣品9,該樣品9固定在樣品掃描臺(tái)4上；
其中控制箱7 —方面操縱微納操作臂I攜帶的近場(chǎng)光纖探針3接近置于樣品掃描臺(tái)4上的樣品9的表面，并通過(guò)檢測(cè)石英音叉2的振幅變化控制近場(chǎng)光纖探針3在垂直方向上保持與樣品9表面之間的距離恒定，控制箱7另一方面驅(qū)動(dòng)樣品掃描臺(tái)4帶動(dòng)樣品9在水平方向上掃描獲得樣品表面的近場(chǎng)光學(xué)和/或近場(chǎng)光譜圖像。
請(qǐng)參閱圖2所示，其是采用圖I所示的基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡與一掃描電子顯微鏡聯(lián)用的示意圖，其中微納操作臂I、石英音叉2、近場(chǎng)光纖探針3、樣品掃描臺(tái)4和樣品9置于掃描電子顯微鏡真空腔10內(nèi)電子槍11的下方。正弦信號(hào)發(fā)生器5、前置鎖相放大器6、控制箱7、探測(cè)器和/或光源8置于掃描電子顯微鏡真空腔10外部。通過(guò)電真空接頭12將微納操作臂I的輸入端與控制箱7的一輸出端、石英音叉2的輸入端與正弦信號(hào)發(fā)生器5的輸出端、石英音叉2的輸出端與前置鎖相放大器6的輸入端、樣品掃描臺(tái)4的輸入端與控制箱7的另一輸出端相連。通過(guò)光纖真空法蘭13將近場(chǎng)光纖探針3與探測(cè)器和/或光源8相連。
光纖真空法蘭13的具體結(jié)構(gòu)請(qǐng)參閱圖3所示。其中14為金屬法蘭盤(pán)，15為中段金屬化光纖。
系統(tǒng)工作時(shí)，(I)將待測(cè)樣品9置于掃描電子顯微鏡真空腔10內(nèi)，通過(guò)電子槍11發(fā)射的電子束掃描樣品9，獲得樣品9表面高清晰形態(tài)特征；(2)在樣品9表面選擇待測(cè)微區(qū)，確定對(duì)該區(qū)域進(jìn)行近場(chǎng)光學(xué)掃描成像；(3)通過(guò)掃描電子顯微鏡的實(shí)時(shí)觀察，控制微納操作臂I將近場(chǎng)光纖探針3送至樣品9的待測(cè)微區(qū)附近，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)微納操作臂I或樣品掃描臺(tái)4的角度，使樣品9的微區(qū)表面與近場(chǎng)光纖探針3的掃描平面基本平行；(4)探測(cè)器和/或光源8發(fā)出的光耦合到近場(chǎng)光纖探針3中，并通過(guò)近場(chǎng)光纖探針3形成局域納米光源，用于激發(fā)樣品；(5)近場(chǎng)光纖探針3在微納操作臂I的帶動(dòng)和石英音叉2剪切力反饋控制下，小心逼近樣品9的表面。樣品9發(fā)出的近場(chǎng)光學(xué)信號(hào)由近場(chǎng)光纖探針3收集，經(jīng)過(guò)尾纖傳遞出來(lái)，再進(jìn)入探測(cè)器和/或光源8中探測(cè)；(6)控制樣品掃描臺(tái)4帶動(dòng)樣品9在近場(chǎng)光纖探針3下方逐點(diǎn)掃描，即可獲得整個(gè)微區(qū)的近場(chǎng)光學(xué)像。通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形匹配算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面電子顯微圖像和近場(chǎng)光學(xué)圖像的對(duì)應(yīng)指認(rèn)。
由于近場(chǎng)光纖探針3為導(dǎo)電性極差的二氧化硅構(gòu)成，探針表面積累的電荷會(huì)對(duì)掃描電子顯微鏡的樣品成像造成干擾。針對(duì)這一問(wèn)題，可以采取在近場(chǎng)光纖探針3表面噴金、涂抹導(dǎo)電膠或蒸鍍金屬膜的方法來(lái)消除電荷積累，僅在近場(chǎng)光纖探針3的最尖端處留出
50-100nm的通光孔徑。
由于微納操作臂I的移動(dòng)范圍極大，能夠覆蓋半徑為12mm、角度為240°的扇形區(qū)域，并具有包括軸向轉(zhuǎn)動(dòng)在內(nèi)的6維自由度，因此可對(duì)不同位置的樣品區(qū)域進(jìn)行選擇定位，并通過(guò)對(duì)多幅圖像進(jìn)行配準(zhǔn)和拼接，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、多自由度樣品掃描成像。
該實(shí)施例便于與掃描電子顯微鏡聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米材料的精細(xì)操縱、超高分辨形貌成像和超衍射近場(chǎng)光學(xué)聯(lián)合表征。
請(qǐng)參閱圖4a所示，其是基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡與正置光學(xué)顯微鏡聯(lián)用的示意圖。其中在基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的近場(chǎng)光纖探針3的上方安裝了長(zhǎng)焦物鏡20，長(zhǎng)焦物鏡20與正置光學(xué)顯微鏡19相連。所述實(shí)施例不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的全部功能，通過(guò)聯(lián)用正置光學(xué)顯微鏡還能實(shí)現(xiàn)更多工作模式。如可以通過(guò)正置光學(xué)顯微鏡19和長(zhǎng)焦物鏡20將激光聚焦到樣品上，用近場(chǎng)光纖探針3收集樣品9的近場(chǎng)光學(xué)信號(hào)。也可以用近場(chǎng)光纖探針3局域激發(fā)樣品，用長(zhǎng)焦物鏡20收集樣品9發(fā)出的遠(yuǎn)場(chǎng)光信號(hào)。該實(shí)施例適用于不透明樣品，所述工作模式均能獲得超分辨的光學(xué)成像。、
請(qǐng)參閱圖4b所示，其是基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡與倒置光學(xué)顯微鏡聯(lián)用的示意圖。其中在基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的樣品掃描臺(tái)4的下方安裝了顯微物鏡22，顯微物鏡22與倒置光學(xué)顯微鏡21相連。根據(jù)所需的光學(xué)顯微鏡放大率，顯微物鏡22可以選擇水浸物鏡或油浸物鏡。所述實(shí)施例不僅能夠?qū)崿F(xiàn)基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的全部功能，通過(guò)聯(lián)用倒置光學(xué)顯微鏡還能實(shí)現(xiàn)更多工作模式。如可以通過(guò)倒置光學(xué)顯微鏡21和顯微物鏡22將激光聚焦到樣品上，用近場(chǎng)光纖探針3收集樣品9的近場(chǎng)光學(xué)信號(hào)。也可以用近場(chǎng)光纖探針3局域激發(fā)樣品，用顯微物鏡22收集樣品9發(fā)出的遠(yuǎn)場(chǎng)光信號(hào)。該實(shí)施例適用于透明樣品，所述工作模式均能獲得超分辨的光學(xué)成像。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，包括 ー微納操作臂； 一石英音叉，該石英音叉固定于微納操作臂的前端，該石英音叉包括兩個(gè)音叉臂和ー個(gè)輸入端及ー輸出端； 一近場(chǎng)光纖探針，該近場(chǎng)光纖探針固定于石英音叉的ー個(gè)音叉臂上； 一樣品掃描臺(tái)，該樣品掃描臺(tái)位于石英音叉的下方； 一正弦信號(hào)發(fā)生器，該正弦信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端與石英音叉的輸入端相連接； 一前置鎖相放大器，該前置鎖相放大器的輸入端與石英音叉的輸出端相連接； ー控制箱，其輸入端與前置鎖相放大器的輸出端連接，其ー輸出端與微納操作臂的輸入端相連接，另ー輸出端與樣品掃描臺(tái)的輸入端相連接； 一探測(cè)器和/或光源，該探測(cè)器和/或光源與近場(chǎng)光纖探針相連接； 其中控制箱一方面操縱微納操作臂攜帶的近場(chǎng)光纖探針接近置于樣品掃描臺(tái)上的樣品的表面，并通過(guò)檢測(cè)石英音叉的振幅變化控制近場(chǎng)光纖探針在垂直方向上保持與樣品表面之間的距離恒定，控制箱另一方面驅(qū)動(dòng)樣品掃描臺(tái)帶動(dòng)樣品在水平方向上掃描獲得樣品表面的近場(chǎng)光學(xué)和/或近場(chǎng)光譜圖像。
2.如權(quán)利要求
I所述的基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，其中樣品掃描臺(tái)為三維壓電陶瓷掃描臺(tái)。
3.如權(quán)利要求
I所述的基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，其中探測(cè)器和/或光源中的探測(cè)器是光電探測(cè)器、光功率計(jì)、CCD或光譜分析儀，或及其組合。
4.如權(quán)利要求
I所述的基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，其中探測(cè)器和/或光源中的光源是白光光源、激光二極管或者激光器。
5.如權(quán)利要求
I所述的基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，其中近場(chǎng)光纖探針的材料為石英光纖，通光波長(zhǎng)為400nm-1600nm,探針尖端尺寸小于200nm。
專(zhuān)利摘要
一種基于微納操作臂的多自由度近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，包括一微納操作臂；一石英音叉固定于微納操作臂的前端；一近場(chǎng)光纖探針固定于石英音叉的一個(gè)音叉臂上；一樣品掃描臺(tái)位于石英音叉的下方；一正弦信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)輸出端與石英音叉的輸入端相連接；一前置鎖相放大器的輸入端與石英音叉的輸出端相連接；一控制箱其輸入端與前置鎖相放大器的輸出端連接，其一輸出端與微納操作臂的輸入端相連接，另一輸出端與樣品掃描臺(tái)的輸入端相連接；一探測(cè)器和/或光源，該探測(cè)器和/或光源與近場(chǎng)光纖探針相連接。其既具有超衍射極限的光學(xué)分辨能力，同時(shí)又具有大范圍移動(dòng)的靈活性和多自由度操作能力，占用空間小，非常便于與其他顯微表征手段相結(jié)合。
文檔編號(hào)G01Q60/18GKCN102662086SQ201210119169
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月20日
發(fā)明者王瑞, 祝寧華, 謝亮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan