[发明专利]用于测量样品对激光发射的吸收的系统

说明书

一种用于测量样品对激光辐射的吸收的系统(10)，该系统包括：·(i)脉冲激光源(2)，其适合以重复频率f_l发射脉冲，并布置成照亮样品；·(ii)AFM探针，其布置成能够放置成在一侧上与样品表面区域(3)接触，AFM探针具有在频率f_m下的机械共振模式；以及·(iii)检测器(8)，其配置成测量由于样品表面区域(3)吸收激光辐射而引起的AFM探针的振荡的振幅，其特征在于，该系统还包括设计成在频率f_p下使样品位移的平移系统。

本发明涉及原子力显微镜领域。更特别地，本发明涉及一种用于测量具有纳米或亚纳米空间分辨率的样品对激光辐射的吸收的系统以及使用该系统的方法，所述系统包括声学调制器。

自其在17世纪的发展以来，光学显微镜的分辨率只有在技术进步的推动下才能不断提高，特别是通过透镜系统的制造和设计的进步，以超越显微镜观察的极限。使用光直接观察物体因其简单性而形成光学显微镜的主要力量，但也是其最大的弱点。在物体达到接近照明波长的尺寸时，衍射现象使得难以甚至不可能观察到小于几百纳米的细节。

规避该衍射限制的一种方法是不使用光作为直接观察手段。因此，原子力显微镜(AFM)允许克服衍射所设置的限制，并允许达到迄今为止无与伦比的细节水平，而只允许表面的凸纹(reliefs)“可视化”。

AFM允许使用接触或直接接近样品表面的探针的扫描逐点分析表面，并且从文献US 2008/0283,755可知的PTIR(光热感应共振)技术是该方法的变体。表达直接接近被理解为：间隔小于10纳米。该技术允许通过将AFM与脉冲可调谐红外激光器(IR)耦合来测量样品的红外吸收。该方法的优点是能够测量几纳米量级的红外光谱，从而超过显微镜的常规分辨率限制。红外吸收的局部测量可以通过AFM探针的尖端与被IR激光照亮的样品区域接触来完成。事实上，当激光的波长对应于样品的吸收带时，吸收的红外光的能量直接转化为热量，该热量转变成温度的升高。因此，样品在几十纳秒的激光发射下迅速升温和膨胀。与样品接触的AFM的尖端将受到推力(或冲击)，并使AFM的杠杆振动。通过测量AFM杠杆振动的振幅，可以恢复到对吸收的测量(通过直接测量或通过振动的FFT分析)。

此外，杠杆的振动由许多基本振动模式组成，并且，当杠杆受到冲击时，它会在所有基本振动模式上振动。使吸收的测量更有效的一种方法是通过使杠杆共振来激发杠杆的一个基本模式。要做到这一点，必须使用一种激光器，该激光器能够在对应于杠杆模式的基本模式的频率范围之内(50与2000kHz之间)改变其发射频率，并且其分辨率为几十赫兹。本领域技术人员已知该方法，即本文称为“可调谐PTIR”(US 8,680,467 B2)。

然而，目前很少有红外激光器在发射频率和波长方面是可调谐的。只有QCL(量子级联激光器)技术允许该方法，这大大限制了可测量吸收光谱的范围和该方法的应用领域。实际上，QCL只产生波长大于3μm的辐射。

本发明旨在通过可调谐PTIR技术扩展可测量吸收光谱，从而通过克服发射频率可调谐激光器使用中固有的限制来拓宽其应用领域。

发明内容

为此，本发明提出一种用于测量具有纳米或亚纳米空间分辨率的样品对激光辐射的吸收的系统，包括：

(i)脉冲激光源，所述脉冲激光源适于以可调谐波长和以重复频率f_l发射脉冲，并且布置成照亮样品的一部分，以便引起样品表面区域的热膨胀；

(ii)AFM探针，所述AFM探针包括一个梁，所述梁承载AFM尖端，所述AFM尖端在所谓的垂直方向上定向，并且布置成能够放置成与样品表面区域接触，在该样品表面区域的一侧引起热膨胀并在另一侧机械地保持，AFM探针具有在频率f_m下的机械共振模式；以及