本发明属于原子力显微镜系统中微小偏移检测装置技术领域，尤其涉及一种微悬臂偏移检测装置。
背景技术：
原子力显微镜(atomicforcemicroscope，afm)是一种高精度计量型仪器，可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构，凭借着其超高的计量精度、实时成像且对样品几乎无损伤的优势在表面探测以及纳米材料加工等领域被广泛的应用。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化，因而能否精确探测微悬臂的偏移量是原子力显微镜对待测样品准确成像的关键。
目前，国内外的研究人员已经提出并发展了多种微悬臂偏移检测转置，如隧道电流检测装置、电容检测装置以及光束偏转检测装置。尤其光束偏转法因其结构原理简单且成本较低的优势成为目前最为主流的检测方法。但是光束偏转法为了能够在位置灵敏探测器上灵敏的探测到光斑位置的变化，要求微悬臂具有较高的反射率以及激光器的光斑尺寸较小，然而当前一些新型原子力显微镜由于需要探测不同种类的力而采用不同材料的微悬臂，有些微悬臂不能对光束高效反射，且微悬臂的尺寸越来越小，对照射在其表面的大尺寸光斑同样不能有效反射，从而影响位置敏感探测器对反射光束位置的探测。同时，光束偏转法基于杠杆放大原理，因而要求杠杆具有足够的长度以满足分辨率要求，然而却不可避免的地引入大气漂移的影响，限制了其应用范围。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种微悬臂偏移检测装置，基于光纤传输的半球面法布里-珀罗干涉检测装置用于检测微悬臂的偏移，解决当前光束偏转法的局限，并具有更高的分辨率。满足原子力显微镜在特定要求下的微悬臂偏移检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微悬臂偏移检测装置，沿光路依次设置激光光源、光纤耦合器、准直器、小孔光阑、球面反射镜、微悬臂，光纤耦合器输入一端与激光光源耦合，输出一端连接准直器，准直器对准球面反射镜使得激光垂直透过球面反射镜圆心，光纤耦合器剩余两端分别各连接光电探测器一、光电探测器二，球面反射镜的凹球面朝向微悬臂，微悬臂位于球面反射镜球心位置，两者构成一个半球面法布里-珀罗腔，光纤耦合器的分光比为1：1，微悬臂一端被固定在探针架上。带有探针的一端受到与样品之间的作用力而随样品的表面摆动。
按上述技术方案，球面反射镜凹球面镀有多层介质反射膜，凸球面镀有增透膜。
按上述技术方案，激光光源为带尾纤封装的高单频激光二极管发出的单频可见光，所输出激光的中心波长为635nm。激光光源输出光束具有较高的单色性，光谱宽度较小，且要求功率稳定。
按上述技术方案，微悬臂相对于光轴垂直方向具有一个小角度，角度满足：
上式中，r为球面镜焦距，d为球面镜直径。
按上述技术方案，准直器的焦点位于球面反射镜的球心位置，使得激光光束被聚焦于微悬臂上。
按上述技术方案，球面反射镜的凸球面镀有99％的增透膜，球面反射镜凹球面镀有50％的多介质反射膜。
按上述技术方案，半球面法布里-珀罗腔输出光强满足：
上式中，r1、r2分别为球面反射镜和微悬臂反射率，l表示球面反射镜与微悬臂的距离，即腔长，i0为入射光强。
本发明产生的有益效果是：本发明提供的微悬臂偏移检测装置，应用于原子力显微镜系统，对微悬臂的偏移进行检测，并将偏移量反馈给系统，进而控制压电陶瓷驱动器驱动样品使得样品与探针保持一定的距离；采用尾纤封装激光而激光以及光线耦合器传输光信号，能够有效减少外界因素干扰，如背景光、振动等噪音干扰。采用基于法布里-珀罗干涉的方法，可以降低对微悬臂尺寸、表面反射率的高要求，即对较小的微悬臂和表面反射率不高(50％)仍能准确探测；采用球面反射镜和微悬臂组成的半球面法布里-珀罗腔，且微悬臂有一个初始偏移角，使得微悬臂被允许在一定的角度范围内偏转不会影响输出光强。本发明实施例提供的微悬臂偏移检测装置能够实现50nm的工作范围内，检测分辨率最低达0.03nm的精度。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例微悬臂偏移检测装置的结构原理图；
图2为本发明实施例提供的球面反射镜设计图；
图3为本发明实施例提供的球面反射镜与微悬臂组成的半球面法布里-珀罗腔及激光光路示意图；
图4为由探测器探测得到的干涉光强随腔长变化的曲线图；
其中：1-激光二极管、2-光纤耦合器、3-准直器、4-小孔光阑、5-球面反射镜、6-微悬臂、7-光电探测器一、8-光电探测器二、9-镀有99％增透膜的凸球面、10-镀有50％反射膜的凹球面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，如图1-图3所示，本发明提供一种基于法布里-珀罗干涉的微悬臂偏移检测装置，装置沿光路依次为尾纤封装激光二极管1、2×2光纤耦合器2、准直器3、小孔光阑4、球面反射镜5以及微悬臂，所述微悬臂初始位置位于球面反射镜5圆心位置，与球面反射镜构成一个半球面法布里-珀罗腔，所述球面反射镜外表面镀有99％增透膜，内表面镀有50％反射膜，以便减少球面反射镜内外表面反生干涉造成对输出光强的影响。由于微悬臂对微弱力极端敏感，一端固定在特制的探针架上，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化，进而改变法布里-珀罗腔的腔长，使得干涉光强的强度发生变化。
激光二极管1通过尾纤输出中心波长为635nm的激光，耦合进入光纤耦合器并被均分为二，从输出一端、输出二端输出，其中输出二端直接连接光电探测器一7用于观测光源的稳定性，输出一端与准直器连接。准直器对激光进行准直后激光对准球面反射镜圆心射入法布里-珀罗腔聚焦到微悬臂上，所述微悬臂6具有一个小角度偏转角，使得光束在半球面法布里-珀罗腔内多次反射，一部分光束沿光轴反向耦合进光纤耦合器，从输出口输出，并被光电探测器二8接收。激光光源选用带尾纤封装的激光二极管，输出光为单频可见光。
所述激光二极管尾纤输出的光束仍有较大的发散角，故而需要准直器对其进行准直聚焦，使得光斑以较小的形态聚焦到微悬臂表面。
微悬臂相对于光轴垂直方向有一个小角度的初始偏转角，当微悬臂随样品表面起伏而摆动时偏转角会发生改变，但由于摆动的水平位置离球面反射镜圆心只有纳米量级，即可认为微悬臂仍位于圆心处，因而偏转角并不改变干涉光的光程，因此该微悬臂偏移检测装置可以克服微悬臂偏转角对干涉光的影响。
干涉光反射出来时，小孔光阑可遮挡掉非沿光轴方向的光，减少对干涉光的影响。
如图4所示，光电探测器探测到的干涉光强与腔长的关系曲线，光强随着腔长周期性变化，且两者之间为多值关系，即一个光强对应这多个腔长，这种状态下无法确定腔长。但根据式(1)可知光强随腔长变化的周期为λ/4。因而，将腔长的变化范围选择在半个周期之内时，光强-腔长曲线是单调的，可以保证干涉光强与腔长之间具有一一对应的值。
当腔长l为λ/8的奇数倍，即l＝(2m+1)λ/8时干涉光强达到最大值；当腔长l为λ/8的偶数倍时，也即l＝2mλ/8时干涉光强最小值。这两种情况下的输出信号都是非线性的，系统的灵敏度最低。而在信号曲线斜率最大的位置，光强信号的线性最好，此时系统的灵敏度也最高。因此在该装置检测微悬臂的偏移时，将参考点设置在信号线性斜率最大的位置，即q点。将该点对应的腔长定义为参考点腔长，工作之前的腔长定义为初始腔长，微悬臂偏移时的腔长定义为工作腔长。进一步地，将半球面法布里-珀罗腔的最大腔长变化范围限定在参考点附近λ/12以内，定义为工作范围，在该范围内既可以保证光强与腔长之间的单值性，也能保证检测系统对微悬臂的偏移有较高的分辨率。由于在参考点附近的曲线斜率较高，因此微小的偏移所导致的光强的变化可以被光电探测器探测出来，使得原子力显微镜在探测样品表面的形貌特征时有较高的灵敏度。
经过上面分析，在工作范围内，输出光强与腔长呈线性关系，其工作范围与激光光源的中心波长有关。作为其中一个实施例，本装置采用新势力光电的带尾纤封装的单频激光二极管作为光源，其中心波长为635nm，故本装置的工作范围约为50nm。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。