[發(fā)明專利]基于微小孔激光器的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010191175.7
• 申請(qǐng)日: 2010-05-26
• 公開（公告）號(hào): CN101881786A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋國(guó)峰;胡海峰;徐云;陳良惠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): G01Q60/18
• 分類號(hào): G01Q60/18;G01Q60/22
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是一種掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，特別是一種采用半導(dǎo)體微小孔激光器作為該系統(tǒng)有源探針的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)。

背景技術(shù)

在傳統(tǒng)的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)中，用作近場(chǎng)照明的探針多采用光纖探針，但是這種光纖探針具有難以克服的缺點(diǎn)，光透過率低，且熱損傷閾值低，使其不能夠提供足夠高的近場(chǎng)光功率，而且光纖材料的機(jī)械性能差，容易損壞。采用微小孔徑激光器作為近場(chǎng)光源可以大為改善輸出光功率，較光纖探針相比，輸出光功率可提高10⁴倍。但是對(duì)于單一微小孔徑結(jié)構(gòu)來說，根據(jù)光學(xué)衍射原理，出射光束的發(fā)散嚴(yán)重，只有在較近距離內(nèi)才可以得到微小的光斑，而半導(dǎo)體激光器的腔面面積很大，難以實(shí)現(xiàn)腔面與樣品表面的嚴(yán)格平行，也很難將出光孔經(jīng)與樣品控制在幾十個(gè)納米的量級(jí)。從而難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高分辨率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于解決上述技術(shù)的不足，提出一種掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，使得在該系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率密度與高分辨率。

本發(fā)明提供一種基于微小孔激光器的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，包括：

一近場(chǎng)激發(fā)樣品臺(tái)，該近場(chǎng)激發(fā)樣品臺(tái)包括一懸臂，該近場(chǎng)激發(fā)樣品臺(tái)用于放置樣品；

一半導(dǎo)體微小孔激光器，該半導(dǎo)體微小孔激光器安裝于近場(chǎng)激發(fā)樣品臺(tái)的懸臂上；

一探測(cè)器，該探測(cè)器位于樣品臺(tái)的下方，與半導(dǎo)體微小孔激光器相對(duì)；

一信號(hào)處理器，該信號(hào)處理器的輸入端與探測(cè)器的輸出端連接，用于收集處理探測(cè)器的數(shù)據(jù)；

一Z軸控制裝置，該Z軸控制裝置通過信號(hào)處理器控制近場(chǎng)激發(fā)樣品臺(tái)的Z軸移動(dòng)，以便控制半導(dǎo)體微小孔激光器與近場(chǎng)激發(fā)樣品臺(tái)的距離；

一X-Y掃描裝置，該X-Y掃描裝置通過信號(hào)處理器控制半導(dǎo)體微小孔激光器對(duì)近場(chǎng)激發(fā)樣品臺(tái)上的樣品進(jìn)行掃描。

其中在半導(dǎo)體微小孔激光器是在邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的前腔面上鍍一層金屬薄膜形成的，在前腔面的中心位置開有納米結(jié)構(gòu)的出光孔。

其中半導(dǎo)體微小孔激光器采用P面向上的封裝方式，其前腔面帶有納米結(jié)構(gòu)的出光孔，該納米結(jié)構(gòu)的出光孔位置突出于半導(dǎo)體微小孔激光器中熱沉的前端。

其中納米結(jié)構(gòu)的出光孔的周圍帶有周期為亞波長(zhǎng)量級(jí)的環(huán)形光柵結(jié)構(gòu)。

其中半導(dǎo)體微小孔激光器的激射波長(zhǎng)為405nm、450nm、650nm、750nm、808nm或980nm。

其中半導(dǎo)體微小孔激光器的金屬薄膜是采用電子束蒸發(fā)工藝或磁控濺射工藝進(jìn)行生長(zhǎng)制備的，金屬薄膜厚度取值范圍為100nm到400nm。

其中的納米結(jié)構(gòu)的出光孔和周期為亞波長(zhǎng)量級(jí)的環(huán)形光柵結(jié)構(gòu)均采用聚焦離子束刻蝕的方法制備的。

其中X-Y掃描裝置的掃描范圍為2×2μm。

本發(fā)明的技術(shù)效果：本發(fā)明利用了微小孔徑半導(dǎo)體激光器作為SNOM系統(tǒng)的有源探針，系統(tǒng)采用照明模式，由于所述的微小孔徑激光器采用了環(huán)形金屬納米結(jié)構(gòu)對(duì)出射光束進(jìn)行調(diào)制，可以壓縮光束發(fā)散角度，實(shí)現(xiàn)了在較遠(yuǎn)處實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)的聚焦光斑，達(dá)到高分辨率。同時(shí)，由于所述的金屬環(huán)形光柵具有一定的增加透射的作用，有助于進(jìn)一步提高近場(chǎng)光功率。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光器有源探針靠近樣品表面，利用X-Y掃描系統(tǒng)對(duì)樣品表面進(jìn)行二維平面掃描，同時(shí)利用遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)收集系統(tǒng)對(duì)探針激發(fā)樣品得到的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析處理。

利用這種高功率的近場(chǎng)光源作為探針，并將其引入SNOM系統(tǒng)中來，可以實(shí)現(xiàn)一定分辨率的近場(chǎng)測(cè)量，尤其是對(duì)于產(chǎn)生信號(hào)較弱的，或者需要激發(fā)光功率較高的情況，如近場(chǎng)光譜測(cè)量，材料表面近場(chǎng)光電導(dǎo)率的分析和近場(chǎng)光刻等測(cè)量分析。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和特征作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中：

圖1為近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為微小孔徑激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為激光器封裝方式示意圖。

具體實(shí)施方式