[发明专利]一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头

说明书

技术领域

本发明涉及一种原子力显微镜扫描测头。特别是涉及一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头。

背景技术

20世纪80年代原子力显微镜的出现使人们得以在纳米尺度直观地认识各类导电、非导电材料乃至生物样品的表面结构。经过二十余年的发展，如今该技术已成为半导体工业、纳米材料、生命科学等领域的基本分析技术之一，应用十分广泛。

目前大多数的原子力显微镜都采用悬臂梁式探针探测样品表面起伏，同时利用光杠杆方法放大悬臂梁的形变。光杠杆检测光路位于测头内，其中激光器发出激光束打在悬臂梁上，悬臂梁将光束反射至光电探测器，探测器上光斑的位移即反映梁的变形。根据扫描运动对象的不同，原子力显微镜的结构可分为上扫描和下扫描两类，分别如图1a、1b所示。上扫描为样品静止，测头相对于样品做扫描运动；下扫描为测头静止，样品相对于测头做扫描运动。扫描动作通常借助管式或三脚架式压电陶瓷扫描器实现。这类扫描器扫描速度快，能同时实现三维运动，但带载能力较弱，且原理上存在三轴运动耦合，在大范围XY平面扫描时会出现明显的Z向弯曲畸变。因此，对于较大的样品只能使用上扫描方式，即让扫描器集成于测头中带着探针动。上扫描方式要求激光能够实时跟踪悬臂梁的运动。现有测头虽可借助跟踪透镜保证测量光束打在梁上，但尚不能完全消除扫描运动所致的光束反射角变化以及由此引起的光杠杆检测误差。此外，传统光杠杆光路中激光束腰直径一般在几十微米，而近年兴起的响应速度更快的小尺寸悬臂梁本身只有二三十微米长，这就意味着现有测头光路可能无法满足今后的高速扫描需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现测量光束对悬臂梁探针的零误差跟踪的光束跟踪式原子力显微镜扫描测头。

本发明所采用的技术方案是：一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，是由光学检测模块和与所述的光学检测模块进行光连接的扫描模块构成，所述的扫描模块包括有：能够进行水平一维扫描运动的Y向一维扫描机构和固定连接在所述Y向一维扫描机构上能够进行垂直一维扫描运动的Z向一维扫描机构，所述的Z向一维扫描机构上固定有悬臂梁探针和位于悬臂梁探针上方的非球面透镜，所述的Y向一维扫描机构上固定设置有与所述的非球面透镜透射光路相对应的直角棱镜；所述的光学检测模块包括有：沿直角棱镜的水平入射光路依次设置的激光器、准直镜、极化分光镜、四分之一波片和第一分束器，其中，所述的第一分束器的垂直分光光路上依次设置有第二分束器、管镜和CCD相机，所述的第二分束器的水平方向接口连接有照明光源，所述的极化分光镜的垂直光路上依次设置有会聚透镜和光电探测器。

所述的光学检测模块和Y向一维扫描机构固定在测头基座上。

所述的Z向一维扫描机构的工作方向与所述的Y向一维扫描机构的工作方向正交。

所述的所述的光学检测模块发出的激光以线偏振光形式进入所述的扫描模块，从所述的扫描模块返回光学检测模块的激光束也为线偏光。

所述的第二分束器和管镜之间设置有衰减片。

所述的光电探测器安装在会聚透镜的后焦平面以外。

所述的会聚透镜和光电探测器之间设置有滤光片，所述滤光片紧邻光电探测器安装，且滤光片的通带频率与所用激光频率一致。

所述的悬臂梁探针位于非球面透镜的焦点处，扫描过程中悬臂梁探针与非球面透镜跟随Z向一维扫描机构运动且保持相对位置不变；而Z向一维扫描机构又跟随Y向一维扫描机构进行水平扫描运动，从而使悬臂梁探针和非球面透镜保持与直角棱镜的水平相对位置不变。

所述的CCD相机、管镜、第一分束器、直角棱镜和非球面透镜构成用于观察悬臂梁和样品的无限共轭显微光路；所述的光电探测器、会聚透镜、极化分光镜、四分之一波片、第一分束器、直角棱镜、非球面透镜和悬臂梁探针构成光杠杆光路。

设定非球面透镜、会聚透镜、管镜的焦距分别对应为f₁、f₂、f₃，会聚透镜后焦面到光电探测器光敏面的距离为L，设置悬臂梁探针的悬臂梁长为l，并设定激光在悬臂梁上的反射点，即悬臂梁探针在悬臂梁的自由端处，则根据几何光学及材料力学原理得到：光杠杆光路对探针自由端Z向位移的放大倍率为A=3(L/l)·(f₁/f₂)；无限共轭显微光路的光学放大倍率为M=f₃/f₁；在保持扫描模块不变的情况下，通过调整光学检测模块中会聚透镜、管镜的焦距和光电探测器的位置即调节了相关放大倍率和检测灵敏度。