用于高速原子力显微镜的激光检测装置及其检测方法

专利名称:用于高速原子力显微镜的激光检测装置及其检测方法
技术领域：
本发明涉及扫描探针显微成像技术领域：
，特别涉及一种用于高速原子力显微镜的共轴-对称式激光检测方法及其检测装置，属于扫描探针显微技术领域：
。
背景技术：
随着科技的发展，生物、化学、材料以及纳米科技等领域迫切需要能够在微纳米尺度上实现快速检测或高速成像的技术。扫描探针显微镜(SPM)是目前开展纳米检测与表征的重要工具，能够实现微纳米尺度显微成像、检测和加工。
原子力显微镜属于扫描探针显微镜家族，是在扫描隧道显微镜基础上发展起来、用途广泛的显微设备。然而，常规原子力显微镜的成像速度很慢，应用范围受到很大限制，·无法对样品的动态过程进行观测，例如生物细胞或分子动态过程的检测等。所以，如何提高常规原子力显微镜的扫描速度一直成为人们关注和研究的热点。
提高原子力显微镜扫描速度关键问题之一就是减小微悬臂探针的几何尺寸，提高其共振频率。在常规原子力显微镜中，一般利用激光偏转方法来检测探针的运动状况，从而获得样品表面的高度起伏。图I给出了这种检测方法的基本原理。由激光器I'发出的激光光束，照射到镀有金膜的探针2'表面，经探针2'反射后照射到位置灵敏度探测器3'(PSD)的表面，通过检测激光光斑在PSD3'表面位置的变化达到检测样品表面高度起伏的目的。在常规原子力显微镜中，如果照射到微悬臂探针上的激光光斑大小是恒定的，当减小微悬臂的几何尺寸时，会有多余的激光绕过微悬臂，照射到样品表面。该部分激光经样品表面反射后，如果照射到位置灵敏度探测器PSD的表面，将对AFM (原子力显微镜，AtomicForce Microscope)的正常工作造成影响。为了能够使用更小尺寸微悬臂探针,实现高速AFM成像，必须减小激光器光斑的几何尺寸。

发明内容
本发明的目的是提供一种用于高速原子力显微镜的激光检测方法及其检测装置，以减小入射激光光斑的几何尺寸，用于原子力显微镜高速成像。
本发明所述的激光检测方法为由激光器发射出的水平激光束，经过激光器透镜准直后，入射到分光棱镜上，经分光棱镜反射后向下入射到非球面镜中，经过非球面镜聚焦到探针表面；经探针表面反射的光束再次经过非球面镜，经另一分光棱镜反射最终照射到位置灵敏度探测器上。这样，激光束经过非球面镜聚焦后的光斑直径大大降低，从而得到小于激光束直径的小尺寸光斑。基于该检测方法，本发明提供的激光检测装置的结构组成主要包括激光器固定压片(I)、激光器支撑板(2)、连接板(3)、分光棱镜固定框架(4)、非球面镜镜筒(5 )、分光棱镜压板(6 )、前置放大器和PSD固定板(7 )、二维调节台A、B (8，9 )、二维调节台固定架(10)、AFM探针架(11)和底板(13)，还可以包括探针架固定板(12)、M3螺纹圈(14)和两个探针架固定弹片(15)。激光器固定压片(I)与激光器支撑板(2)连接，用于固定激光器；分光棱镜固定架(4)与分光棱镜压板(6)连接,用于固定分光棱镜；非球面镜镜筒(5 )和分光棱镜固定架(4) 一起固定在连接板(3 )上，然后将该连接板(3 )固定在一个二维调节台A (8)上。前置放大器和PSD固定板(7)在另一个二维调节台B (9)上，再把该二维调节台B (9)固定在左侧的二维调节台固定架(10)上，所述的二维调节台A (8)和二维调节台B (9)都固定在底板(13)上。高速原子力扫描探针架固定板固定在底板(13)上。
本发明的优点在于
(I)采用本发明提供的检测装置，获得激光光斑尺寸小，可以达到16i!m以内，比激光束光斑减小50%左右；
(2)本发明提供的整个检测装置可以安装在现有原子力显微镜上，用于高速原子力显微成像；
(3)本发明所述的检测装置结构简单、成本低廉、工作稳定性好；
(4)本发明提供的检测装置具有调节容易、使用简单、抗干扰能力强等特点，可以用于原子力显微高速成像。


图I常规原子力显微镜探针检测光路原理图；
图2本发明的检测方法的光路原理图；
图3本发明的共轴-对称式激光检测装置结构图；
图中
I'、激光器；2'、探针；3'、PSD (位置灵敏度探测器)；
I"、激光器；2"、分光棱镜A ;3"分光棱镜B ;4"、非球面镜；5"、探针；
6"、PSD;
I、激光器固定压片；2、激光器支撑板；3、连接板；4、分光棱镜固定框架；
5、非球面镜镜筒(上下两个部分)；6、分光棱镜压板；7、前置放大器和PSD固定板；
8、二维调节台A ;9、二维调节台B ;10、二维调节台固定板；11、探针架；
12、探针架固定板；13、底板；14、M3螺纹圈；15、探针架固定弹片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述；
本发明提供一种用于高速原子力显微镜的激光检测方法，所述方法为由激光器I"发射出的激光束经过激光器准直镜准直后，平行于主光轴经非球面镜4"聚焦到探针5"表面；经探针5"表面反射的光束再次经过非球面镜4"，反射到位置灵敏度探测器6"上。
所述的方法还可以采用如下的方式，如图2所示，进行共轴-对称式激光检测由激光器I"发射出的水平激光束，经过激光器准直镜准直后，入射到分光棱镜A2"上，经分光棱镜A2"反射后平行于主光轴向下入射到非球面镜4"中，经过非球面镜4"聚焦到探针5"表面；经探针5"表面反射的光束再次经过非球面镜4"，经另一分光棱镜B3"反射最终照射到位置灵敏度探测器6"上。上述检测方法中，所述的位置灵敏度探测器6"的光接收点与激光器I"的光发射点的连线为水平线，即所述的位置灵敏度探测器6"接收的反射光线与激光器I"的出射光线共轴。[0026]基于上述的激光检测方法，本发明还提供一种共轴-对称式激光检测装置，如图3所示，所述的检测装置包括激光器固定压片I和激光器支撑板2、连接板3、分光棱镜固定框架4和分光棱镜压板6、非球面镜镜筒5、前置放大器和PSD固定板7、二维调节台A8和二维调节台B9、二维调节台固定板10、探针架11和底板13，还包括探针架固定板12、M3螺纹圈14以及探针架固定弹片15。所述的共轴-对称式激光检测装置的具体连接关系如下
将激光器I"放置在激光器支撑板2上，并且用激光器固定压片I进行固定，用于产生水平激光束；所述的激光器支撑板2固定在连接板3上；分光棱镜A2"和分光棱镜B3"放置在水平激光束出射方向的分光棱镜固定框架4中，用分光棱镜压板6进行固定，所述
的分光棱镜固定框架4也固定在连接板3上；非球面镜4"放置并固定在非球面镜镜筒5的下半部分，非球面镜镜筒5的上半部分固定在连接板3的下方，非球面镜镜筒5的上、下两个部分通过螺纹耦合在一起；所述的非球面镜镜筒5内部的非球面镜4"的光心距离探针5"的距离为非球面镜4"的一倍焦距。连接板3用M2螺钉固定在二维调节台AS上面，所述的二维调节台AS可以在水平面内实现连接板3及其上固定的部件的位置调节，如调节激光光斑在探针5"悬臂上的位置；左侧前置放大器与PSD固定板7固定在二维调节台B9上，所述的二维调节台B9可以在竖直平面内实现对前置放大器与PSD固定板7上的前置放大器与PSD的调节，使得反射激光刚好落在PSD的中心处，实现高速原子力显微镜的扫描和成像。二维调节台B9固定在二维调节台固定板10上,二维调节台固定板10通过M3螺钉固定在底板13的左端；二维调节台A8固定在底板13的右端；AFM探针放置在探针架11上，并且保证AFM探针位于非球面镜镜筒5的正下方；探针架11固定在探针架固定板12上，探针架固定板12通过探针架固定弹片15连接在底板13上。所述的探针架固定板12与探针架11为固定连接，当需要更换探针时，只需要将探针架固定板12拆下来更换即可，因此，所述的探针架固定板12与底板13之间是通过探针架固定弹片15实现的可拆卸式连接。二维调节台AS用于在水平方向调节激光光斑的位置；非球面镜焦距的调节是通过改变非球面镜镜筒5上下两部分的耦合螺纹实现；二维调节台B9在竖直方向上调节前置放大器和位置灵敏度探测器PSD6"的位置，调节激光光斑在PSD6"上的位置。
实施例:
整个高速原子力显微镜共轴-对称式激光检测装置的长度为122mm、宽度为90mm、高度为72mm。该装置使用的激光器长度为47mm，其中，前端准直部分长度为18mm，直径17mm，后端长度为29mm，直径15mm。分光棱镜A2"和分光棱镜B3"为立方体形，长、宽、高均为12. 7mm，反射、透射比为I :1。非球面镜4"型号是Thorlabs公司AL1815-A，其直径为18mm，有效焦距15mm，数值孔径NA为0. 534。激光器固定压片I通过M3螺钉固定在激光器支撑板2上；激光器支撑板2通过两个M2. 5螺钉固定在连接板3上；分光棱镜A2"和分光棱镜B3"的长和宽均为30mm，高度为18mm，其中分光棱镜固定框架4中间凹槽长度为28mm，宽度为14. 8mm,深度为13mm。两个分光棱镜A2"和分光棱镜B3"相邻两个面附有黑色胶带，防止光线的相互影响；两个分光棱镜A2"和分光棱镜B3"两侧均固定在两个厚度约为1_的硬质塑料板上，其相互间距约为1mm，以便在进行光路调节时用CCD (电荷耦合器件)进行观测。分光棱镜压板6上面固定一个凸透镜，在光路调节时，配合CCD进行观测。两个分光棱镜A2"和分光棱镜B3"固定好后放入分光棱镜固定框架4中，然后使用M3螺钉将分光棱镜压板6固定在分光棱镜固定框架4上。非球面镜镜筒5上端部分长度为12mm，中间通孔直径为18mm。其中，带外螺纹部分长度为6mm,内径为18mm,外径为23mm ;不带螺纹部分长度为6mm,内径18mm,外径为25mm。非球面镜镜筒5下端部分长度为14mm,外径26mm。其中，带内螺纹部分内径为23mm,长度为IOmm,固定非球面镜4"部分内径为18mm,长度为3mm。在非球面镜镜筒5下端部分与上端部分螺纹连接后，采用M3螺纹圈14对上端部分的螺纹部分进行反向螺纹旋紧，用以固定非球面镜镜筒5下端部分与上端部分之间的相对位置。所述的M3螺纹圈14长度为3mm，外径为26mm，内径为23mm。将非球面镜4"放入非球面镜镜筒5下端部分中，非球面镜镜筒5下端部分内部附有M3螺纹，通过螺纹圈将非球面镜4"固定，然后将非球面镜镜筒5上下两个部分通过M3螺纹耦合在一起，然后用M3螺纹圈14进行进一步固定。用M3螺钉将分光棱镜框架4、连接板3和非球面镜镜筒5固定在一起。左侧前置放大器与PSD固定板7通过两个M2. 5螺钉固定到二维调节台B9上，用于接收反射激光，然后用4个M2. 5的螺钉将二维调节台B9固定到二维调节台固定板10上，最后将二维调节台固定板10固定在底板13上。用4个M2. 5螺钉将连接板3固定到二维调节台AS上，再将二维调节台AS固定到底板13上。用M2的螺钉将探针架11固定到探针架固定板12上，并用底板13上的两个探针架固定弹片15将探针架固定板12可拆卸式的连接在底板 13上。各个部件的材质均为金属铝。
在仪器调节过程中，首先打开激光器，打开(XD，调节CXD的位置，直到观测到微悬臂。调节二维调节台AS，使激光光斑入射到微悬臂上，然后调节激光器前端的准直部分，调节出射激光的准直性。同时，转动非球面镜镜筒5下端部分，调节非球面镜4"的焦点，使其焦点刚好落在微悬臂上。在整个扫描过程中，实时调节二维调节台AS，保持激光聚焦点始终落在微悬臂上。当光路调节好后，左端可以观测到入射到PSD的激光光斑是圆形的。利用M3螺纹圈14将非球面镜镜筒5上下两个部分进行固定。光路调节好后，调节二维调节台B9，使出射激光光斑刚好落在PSD的中心处。将该装置调节好之后，配合原子力显微镜扫描装置的压电陶瓷管，可以实现高速原子力显微镜的扫描与成像。上述方式调节得到的光斑尺寸小于16 V- m。
所述的检测装置中，激光器和PSD分别位于非球面镜4"的主光轴的两侧，并且所述的激光器中发出的准直激光线，与PSD接收的反射光线处于同一个水平线上，保证激光线共轴和对称分布，这样形成的检测装置也称为共轴一对称式检测装置，有利于检测装置的布置和布局，可以最大程度上减小扫描过程中的振动可能对检测装置的精度的影响。
对于所述的检测装置，其中的激光器和PSD可以分别位于分光棱镜固定框架4的上方，此时可以不采用分光棱镜，激光器发射的激光经过准直后直接以平行于非球面镜的主光轴的方向入射到非球面镜上，经过非球面镜两侧反射后，PSD接收反射光斑。
对于所述的检测装置，探针在探针架11的位置，在水平面上倾斜15度。因此，连接板3左侧部分，即与分光棱镜相连接的部分，沿着入射激光轴向逆时针旋转15度，与水平面有15度的倾斜，以保证入射激光光束在轴向上与悬臂相互垂直，进而保证照射到悬臂上的激光光斑为圆形。
权利要求
1.用于高速原子力显微镜的激光检测方法，其特征在于由激光器发射出的激光束经过激光器透镜准直后，平行于非球面镜主光轴射入非球面镜聚焦到探针表面；经探针表面反射的光束再次经过非球面镜，反射到位置灵敏度探测器上。
2.根据权利要求
I所述的用于高速原子力显微镜的激光检测方法，其特征在于由激光器发射出的水平激光束，经过激光器透镜准直后，入射到分光棱镜A上,经分光棱镜A反射后，竖直向下，并平行于非球面镜主光轴入射到非球面镜中，经过非球面镜聚焦到探针表面；经探针表面反射的光束再次经过非球面镜，经另一分光棱镜B反射最终照射到位置灵敏度探测器上；上述检测方法中，所述的位置灵敏度探测器和激光器分别设置在所述的非球面镜主光轴的两侧，并且所述的位置灵敏度探测器接收的反射光线与激光器的出射光线共轴。
3.用于高速原子力显微镜的激光检测装置，其特征在于包括激光器固定压片和激光器支撑板、连接板、非球面镜镜筒、前置放大器和PSD固定板、二维调节台A、二维调节台B、二维调节台固定板、探针架和底板；将激光器放置在激光器支撑板上，并且用激光器固定压片进行固定；激光器支撑板固定在连接板上；非球面镜放置并固定在非球面镜镜筒的下半部分内，非球面镜镜筒的上半部分固定在连接板的下方，非球面镜镜筒的上半部分和下半部分通过螺纹耦合在一起；连接板固定在二维调节台A上面，二维调节台A固定在底板的右端；底板的左端固定二维调节台固定板，前置放大器和PSD固定板固定在二维调节台B上，二维调节台B固定在二维调节台固定板上；AFM探针通过探针架固定并放置在非球面镜镜筒下方。
4.根据权利要求
3所述的用于高速原子力显微镜的激光检测装置，其特征在于所述的检测装置还包括分光棱镜固定框架和分光棱镜压板，分光棱镜A和分光棱镜B放置在水平激光束出射方向的分光棱镜固定框架中，用分光棱镜压板进行固定，所述的分光棱镜固定框架也固定在连接板上，并位于非球面镜镜筒的上方。
5.根据权利要求
3或4所述的用于高速原子力显微镜的激光检测装置，其特征在于所述的检测装置还包括探针架固定板、探针架固定弹片以及底板；探针架固定在探针架固定板上，探针架固定板通过探针架固定弹片可拆卸式连接在底板上。
6.根据权利要求
3或4所述的用于高速原子力显微镜的激光检测装置，其特征在于在所述的非球面镜镜筒的上、下两个部分通过螺纹耦合在一起后，将M3螺纹圈螺纹连接在所述的上部分的外螺纹上。
7.根据权利要求
3所述的用于高速原子力显微镜的激光检测装置，其特征在于激光器和PSD分别位于非球面镜的主光轴的两侧，并且所述的激光器中发出的准直激光线，与PSD接收的反射光线处于同一个水平线上。
8.根据权利要求
3所述的用于高速原子力显微镜的激光检测装置，其特征在于在所述的分光棱镜压板上固定有凸透镜。
9.根据权利要求
4所述的用于高速原子力显微镜的激光检测装置，其特征在于两个分光棱镜A和分光棱镜B相邻两个面附有黑色胶带。
10.根据权利要求
3所述的用于高速原子力显微镜的激光检测装置，其特征在于二维调节台A用于在水平方向调节激光光斑的位置；非球面镜焦距的调节是通过改变非球面镜镜筒上下两部分的耦合螺纹实现；二维调节台B在竖直方向上调节前置放大器和位置灵敏度探测器PSD的位置，调节激光光斑在PSD上·的位置。
专利摘要
本发明公开一种用于高速原子力显微镜的激光检测装置及其检测方法，涉及扫描探针显微成像技术领域：
。所述的检测方法为由激光器发射出的水平激光束，经分光棱镜反射后向下入射到非球面镜中，经过非球面镜聚焦到探针表面；经探针表面反射的光束再次经过非球面镜，经另一分光棱镜反射最终照射到位置灵敏度探测器上。基于该检测方法，本发明提供的激光检测装置主要包括激光器固定压片、激光器支撑板、连接板、分光棱镜固定框架、非球面镜镜筒、分光棱镜压板等。采用本发明提供的检测装置，获得激光光斑尺寸小，可以达到16μm以内，比激光束光斑减小50%左右；用于高速原子力显微成像，具有调节容易、使用简单、抗干扰能力强等特点。
文档编号G01Q30/02GKCN102778588SQ201210245733
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月16日
发明者公为涛, 商广义, 蔡微, 赵剑勇 申请人:北京航空航天大学