[發明專利]一種微懸臂偏移檢測裝置

在審

• 申請號: 201810892232.0
• 申請日: 2018-08-07
• 公開（公告）號: CN108593970A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 盧景琦;黃劍;程德偉;吳子俊
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 孫方旭

本發明公開了一種微懸臂偏移檢測裝置，主要由光路依次設置的激光光源、光纖耦合器、準直器、小孔光闌、球面反射鏡、微懸臂組成。球面反射鏡與微懸臂組成一個半球面法布里?珀羅腔，反射輸出光束形成干涉，干涉光強隨腔長變化而發生改變，在一定區域內，干涉光強與腔長呈現近似于線性的關系，則可根據光強的改變量轉換為腔長的改變量，得到微懸臂的偏移量并反饋給原子力顯微鏡系統，該區域即為微懸臂偏移檢測轉置的工作范圍。本發明采用球面反射鏡與微懸臂組成的半球面法布里?珀羅腔可以消除微懸臂隨樣品便面起伏而發生偏移時的偏轉角因素的影響，與光束偏轉法檢測裝置相比，對尺寸較小、表面反射率不高的微懸臂可以完成探測，具有更高的分辨率。

技術領域

本發明屬于原子力顯微鏡系統中微小偏移檢測裝置技術領域，尤其涉及一種微懸臂偏移檢測裝置。

背景技術

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是一種高精度計量型儀器，可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構，憑借著其超高的計量精度、實時成像且對樣品幾乎無損傷的優勢在表面探測以及納米材料加工等領域被廣泛的應用。它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化，因而能否精確探測微懸臂的偏移量是原子力顯微鏡對待測樣品準確成像的關鍵。

目前，國內外的研究人員已經提出并發展了多種微懸臂偏移檢測轉置，如隧道電流檢測裝置、電容檢測裝置以及光束偏轉檢測裝置。尤其光束偏轉法因其結構原理簡單且成本較低的優勢成為目前最為主流的檢測方法。但是光束偏轉法為了能夠在位置靈敏探測器上靈敏的探測到光斑位置的變化，要求微懸臂具有較高的反射率以及激光器的光斑尺寸較小，然而當前一些新型原子力顯微鏡由于需要探測不同種類的力而采用不同材料的微懸臂，有些微懸臂不能對光束高效反射，且微懸臂的尺寸越來越小，對照射在其表面的大尺寸光斑同樣不能有效反射，從而影響位置敏感探測器對反射光束位置的探測。同時，光束偏轉法基于杠桿放大原理，因而要求杠桿具有足夠的長度以滿足分辨率要求，然而卻不可避免的地引入大氣漂移的影響，限制了其應用范圍。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種微懸臂偏移檢測裝置，基于光纖傳輸的半球面法布里-珀羅干涉檢測裝置用于檢測微懸臂的偏移，解決當前光束偏轉法的局限，并具有更高的分辨率。滿足原子力顯微鏡在特定要求下的微懸臂偏移檢測。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：提供一種微懸臂偏移檢測裝置，沿光路依次設置激光光源、光纖耦合器、準直器、小孔光闌、球面反射鏡、微懸臂，光纖耦合器輸入一端與激光光源耦合，輸出一端連接準直器，準直器對準球面反射鏡使得激光垂直透過球面反射鏡圓心，光纖耦合器剩余兩端分別各連接光電探測器一、光電探測器二，球面反射鏡的凹球面朝向微懸臂，微懸臂位于球面反射鏡球心位置，兩者構成一個半球面法布里-珀羅腔，光纖耦合器的分光比為1：1，微懸臂一端被固定在探針架上。帶有探針的一端受到與樣品之間的作用力而隨樣品的表面擺動。

按上述技術方案，球面反射鏡凹球面鍍有多層介質反射膜，凸球面鍍有增透膜。

按上述技術方案，激光光源為帶尾纖封裝的高單頻激光二極管發出的單頻可見光，所輸出激光的中心波長為635nm。激光光源輸出光束具有較高的單色性，光譜寬度較小，且要求功率穩定。

按上述技術方案，微懸臂相對于光軸垂直方向具有一個小角度，角度滿足：

上式中，R為球面鏡焦距，D為球面鏡直徑。

按上述技術方案，準直器的焦點位于球面反射鏡的球心位置，使得激光光束被聚焦于微懸臂上。

按上述技術方案，球面反射鏡的凸球面鍍有99％的增透膜，球面反射鏡凹球面鍍有50％的多介質反射膜。