[发明专利]一种用于扫描隧道显微镜的光收集装置

说明书

技术领域

本发明属于扫描隧道显微镜领域，尤其涉及一种用于扫描隧道显微镜 的光收集装置。

背景技术

1982年，Binnig与Rohrer等人将量子力学中的隧穿效应与当时先进 的压电陶瓷和微电子技术相结合，发明了扫描隧道显微镜，使人类得以实 现原子分辨的空间成像。随着技术的进一步发展，人类通过扫描隧道显微 镜还实现了原子操控，并利用非弹性电子隧穿谱在一定意义上实现了对单 个化学键的分辨。可以说，扫描隧道显微镜使人类真正拥有了认识和操控 微观世界的能力。通过新的实验技术的发明，这种能力正在持续提高。

隧穿结中的光耦合效应是扫描隧道显微镜研究的重要发展方向。早在 1988年，Gimzewski等人便通过实验观测到了由隧穿电流局域激发所造成 的隧穿结发光。得益于扫描隧道显微镜超高的空间分辨能力，高度局域化 的隧穿电流使激发区域仅仅局限在针尖与表面原子或分子所构成的隧穿 结，其尺度远小于光学测量极限，这让我们拥有了研究电致单分子发光的 可能。但是由隧穿电流诱导的发光信号极其微弱，应此，要实现对隧穿结 中电致单分子发光的研究，我们必须首先构建一个高效率的用于扫描隧道 显微镜的光收集系统。

常见的光子收集可以包括透镜收集、光纤收集和反射镜收集。其中， 最为常见的是透镜收集，其原理是利用一个透镜将隧穿结发光转换为平行 光，再用另一个透镜将光聚焦在收集装置上，这种收集系统虽然构造起来 比较简单，但仍然只能覆盖很小一部分空间角，收光效率难以让人满意。 Ushioda和Aono等人则采用了光纤收集，前者采用的是单光纤收集的方 法，但是由于光纤数值孔径的限制，光纤必须尽可能的接近隧穿结才能覆 盖足够的空间角，同时也需要光纤具有很高的光学对准程度。Aono则通 过增加光纤数目的方法提高收集效率，但显然大大增加了系统的复杂程度 和光纤的对准难度。

Berndt等人提出了反射椭球镜收集，即将发光分子置于椭球面的一个 焦点，利用椭球面对光的反射特性，在另一焦点处对光进行收集。近期 Mora-Sero等人也提出了一种反射抛物面镜收集系统，即将发光分子置于 抛物面的焦点位置，利用抛物面的反射将出射光转化为平行光，再利用其 他光学方法对光线进行束腰和分析。然而，虽然上述椭球面或抛物面的反 射镜光收集系统能够覆盖较大的空间角，但它们对显微镜扫描探针针尖的 位置要求极其严格，都要保证针尖隧道结在透镜的焦点处，另外，在针尖 附近的狭小空间也限制了反射镜系统的体积，增加了加工难度。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术中光学对准程度高、加工 困难的缺陷，提供一种改进的用于扫描隧道显微镜的光收集装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明，提供一种用于扫描隧道显微镜的光收集装置，包括显微 镜探针、反射镜、成像系统和光接收传导装置，其中，

所述反射镜为半顶角为45度的圆锥面反射镜；

所述显微镜探针设置在所述圆锥面反射镜的中轴线上；

所述成像系统被设置为其物面位于经所述圆锥面反射镜所形成的虚 像所在的平面内，所述成像系统的像面位于所述光接收传导装置的一端。

在上述光收集装置中，所述成像系统包括多个透镜的组合。

在上述光收集装置中，所述成像系统包括以上下叠放方式布置的两个 相同的双面凸透镜，所述双面凸透镜的焦距等于圆锥面反射镜顶点到上透 镜中心的距离。

在上述光收集装置中，还包括反射镜底座和透镜底座，其中所述圆锥 面反射镜放置于所述反射镜底座上，所述两个双面凸透镜设置在所述透镜 底座与所述反射镜底座之间。

在上述光收集装置中，所述反射镜底座的上表面设置有环形槽，用于 与所述圆锥面反射镜的底部相配合。

在上述光收集装置中，还包括用于固定所述两个双面凸透镜的透镜支 柱，该透镜支柱的上端与所述反射镜底座连接，下端与所述透镜底座连接。 优选地，所述连接为可拆的。

在上述光收集装置中，还包括光学测量装置，该光学测量装置与所述 光接收传导装置的另一端相连接。

在上述光收集装置中，所述光接收传导装置为光纤传光导。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.加工难度大大降低，同时保持了光纤收集所具有的高灵活性的优 势；