原子力显微镜原理演示仪的制作方法

本实用新型提出的是一种原子力显微镜原理演示仪，属于物理电子机械技术领域。

背景技术：

原子力显微镜（AFM）是一种能够以纳米级分辨率获得样品表面信息的分析仪器。近年来，原子力显微镜在针对固体样品表面形貌和构造的观测及研究方面的应用日益广泛，但由于原子力显微镜属于微观测量设备，其探针、微悬臂等探测部件微小，而其光学、控制系统又一般隐藏在仪器内部，无法直观对照实物讲解，因此在与之相关的课堂教学环节中，一般学生对原子力显微镜的工作原理理解上存在困难。

本装置通过结构设计和电路机械控制系统宏观模拟原子力显微镜内部光路结构、光杠杆原理、微悬臂共振系统、样品压电扫描系统及光的衍射原理，以使实验者能够更加直观地了解其内部光路系统及工作原理。并有助于其对仪器的操作。

技术实现要素：

本实用新型提出的是一种原子力显微镜原理演示仪，其目的旨在使实验者能够更加直观地了解其内部光路系统及工作原理，有助于其对仪器的操作。

本实用新型的技术解决方案：一种原子力显微镜原理演示仪，其结构由显微镜箱体、样品处理模块、光路调节模块组成，其中样品处理模块设于显微镜箱体内部底面上，光路调节模块设于显微镜箱体顶部。

本实用新型的优点：

1）国内外尚未见有相类似产品，在功能及结构上均具有创新性；

2）模拟原子力显微镜复杂的光学原理，使原本复杂的光路系统变得更加直观，有利于原子力显微镜的实验教学；

3）对原子力显微镜的实验教学和实验培训工作提供较强的辅助作用。

附图说明

图1是原子力显微镜原理演示仪系统结构图。

图2是原子力显微镜原理演示仪光路调节模块结构图。

图中1是有机玻璃框架，2是激光器，3是A光路调节旋钮，4是B光路调节旋钮，5是A反射镜固定板，6是反射镜调节板，7是B反射镜固定板，8是线阵CCD，9是磷光屏，10是探针，11是样品台，12是样品扫描装置，13是样品高度调整装置，14是样品台高度调节旋钮，15是启动按键，16是调节频率旋钮，17是显示器，18是电磁铁，19是反光金属弹片，20是控制箱，21是A反射镜，22是B反射镜。

具体实施方式

如图1所示，一种原子力显微镜原理演示仪，其结构由显微镜箱体、样品处理模块、光路调节模块组成，其中样品处理模块设于显微镜箱体内部底面上，光路调节模块设于显微镜箱体顶部。

所述的显微镜箱体，其结构包括有机玻璃框架1，激光器2，线阵CCD 8，磷光屏9，启动按键15，调节频率旋钮16，显示器17，控制箱20；其中激光器2设于有机玻璃框架1左侧壁的开孔处，磷光屏9设于有机玻璃框架1的右侧壁内侧，线阵CCD 8设于磷光屏9的中部，控制箱20设于激光器2的下方，启动按键15、调节频率旋钮16和显示器17设于控制箱20的侧面上。

所述的样品处理模块，其结构包括探针10，样品台11，样品扫描装置12，样品高度调整装置13，样品台高度调节旋钮14，电磁铁18，反光金属弹片19；其中金属弹片19设于有机玻璃框架1左侧壁上的激光器2的下方，探针10设于金属弹片19右侧的下部，金属弹片19尾部下方设一电磁铁18，样品台11设于由两个步进电机、丝杆构成的样品扫描装置12上，样品高度调整装置13设于样品台11的下方，样品台高度调节旋钮14设于有机玻璃框架1的侧壁上，样品台高度调节旋钮14与样品高度调整装置13连接。

所述的光路调节模块，其结构包括1对A光路调节旋钮3、B光路调节旋钮4，反射镜调节板6，A反射镜21，B反射镜22，1对A、B反射镜固定板5；其中A反射镜21、B反射镜22对应设于A、B反射镜固定板5上，A、B反射镜固定板5通过螺柱和弹簧固定在反射镜调节板6的下侧，1对A光路调节旋钮3对应设于A反射镜21的左上角和右下角，1对B光路调节旋钮4对应设于B反射镜22的右上角和左下角。

实际操作时，反射镜一21角度可通过一对光路调节旋钮一3、4调整，反射镜二22角度可通过一对光路调节旋钮二5、7调整，调节光路调节旋钮使经反射镜一20后的激光能打在反光弹片19右侧上方，再经反射镜二22反射后打在磷光屏9上；在金属弹片19尾部下方放置的电磁铁18可产生一个低频（1-100Hz）交流磁场使金属弹片19产生共振，样品扫描装置12由两个步进电机及丝杆构成，可驱动样品在探针10下方做“Z”字形运动实现对样品表面的扫描。

本装置可演示原子力显微镜的两种扫描模式：接触扫描模式和轻敲扫描模式，通过按键15控制单片机电路设定装置的扫描模式和控制扫描的开始和结束。

在接触扫描模式中，调节样品台高度调节旋钮14使样品表面与探针10接触，关闭电磁铁18，按下启动按键15使样品开始运动。扫描过程中，金属弹片19由于样品表面起伏变化而弯曲变形，经三次反射后，在磷光屏9上的光点位置发生变化，其位移与金属弹片19形变成正比，观察光点位置变化可知样品表面形貌。

在轻敲模式中，调节载物台11高度使样品表面与探针10保持一定距离，电磁铁18自动打开，通过调节频率旋钮16调节交流磁场频率使金属弹片19达到共振，按下启动按键15使样品开始运动。扫描过程中，金属弹片19振幅大小由于样品表面起伏变化而变化，经反射后，磷光屏9上的光点振幅随之变化，振幅与金属弹片19振幅成正比，根据光点振幅变化可推知样品表面形貌。

在两种扫描模式下，线阵CCD 8检测光点位置和振幅，并通过显示器17实时显示样品表面形貌。