專利名稱:近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及掃描探針顯微技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種近場掃描光學(xué)顯微鏡照明模式下的耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近場掃描光學(xué)顯微鏡(NSOM)是掃描探針顯微鏡的一種，它由激光器和探針構(gòu)成“局域光源”，由帶有超微動(dòng)裝置的“掃描平臺(tái)”和由顯微物鏡等構(gòu)成的“光學(xué)放大系統(tǒng)”三部分組成。近場顯微鏡用納米局域光源在納米尺度的近場距離照明樣品，來自樣品的局域光信號(hào)由顯微物鏡放大并經(jīng)過光電接收器接收。NSOM用掃描技術(shù)使局域光源逐點(diǎn)網(wǎng)格狀照明樣品，然后由光電接收器接收這些光信號(hào)，再借助計(jì)算機(jī)把來自樣品各點(diǎn)的局域光信號(hào)構(gòu)畫出樣品的圖像。
NSOM最重要的兩個(gè)參數(shù)是空間分辨率和透過效率。分辨率僅取決于探針的光闌孔徑及其與樣品表面的間距，而不受衍射極限的限制，透過效率是指從針尖光闌輸出的光功率與輸入針尖的光功率之比。高分辨率和高透過效率卻是相互矛盾的，對于同一種探針，隨著針尖光闌尺寸的減少，透過率也快速減少(理論上為光闌尺寸的四次方函數(shù))。這種矛盾已成為NSOM在許多應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)主要障礙。用十分之一波長大小左右的探針，探針的耦合透過效率通常只有萬分之一左右，加上探針本書具有一定的損傷閾值(通常是5mW)，NSOM “局域光源”的能量非常有限，使其在光譜分辨和非線性的應(yīng)用上非常困難。
提高NSOM探針耦合透過效率一直是一個(gè)重要課題，最常用的方法改變探針的性質(zhì)。因此，各種各樣的探針被設(shè)計(jì)和制作。但是，隨著探針的形狀和材料的改變，探針的掃描特性，阻尼特性，重復(fù)性，抗損傷特性都會(huì)相應(yīng)的改變，實(shí)用性不高。另外，采用針尖形狀設(shè)計(jì)的方法，其難度高，技術(shù)不太成熟，實(shí)用過程也受限于探針性能的改變。
大量理論和實(shí)驗(yàn)表明，光波耦合到探針尖端(小于二分之一波長)后，是一種倏逝波行為，隨著倏逝波往前傳，光功率與傳播距離的四次方成反比，因此增大探針的夾角，使得尖端的長度減少，是有效的提高耦合透過效率的辦法。然而，隨著針尖夾角的增大，探針的針尖逐漸演化成平面(180度時(shí))，探針的掃描能力受到影響，最合適的探針夾角是30到60度。目前，商業(yè)上最常規(guī)的探針還是停留在熔融拉錐光纖探針和基于懸梁臂錐形探針。
而實(shí)際上，由于探針往往是兩端金屬中間中空或者是介電材料，因此用倏逝波的模型不能準(zhǔn)確的描述光波從探針的耦合輸出行為，光波在探針尖端的行為，更多的是光波跟探針壁相互作用的行為，包括了倏逝波行為、表面等離子體和光的匯聚，這也是三過渡探針、拋物線型、c型探針和蝴蝶結(jié)型探針等探針能夠很大的提高耦合透過效率的原因。
以上所述的提高近場耦合透過效率的方法，都是以平面波入射出發(fā)，設(shè)計(jì)探針尖端的特性，針對近場探針的形狀和探針針孔或針尖的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其目的是要改變光場在近場探針的分布情況，減少照明光在探針兩臂的損耗，同時(shí)使得局域在針尖的照明光的分布增強(qiáng)(包括表面等離子體共振等)，以使更多的光能夠耦合到針尖外面，即提高耦合透過效率。而采用直接的調(diào)制光場在針尖的分布的方法，還未見到相關(guān)報(bào)道。本發(fā)明從另外一個(gè)角度出發(fā)，在現(xiàn)有的商用探針的基礎(chǔ)上，改變?nèi)肷涔獾奶匦?，包括偏振，相位和振幅等，使得該被調(diào)制的光場(光波前)同探針耦合后，具有最高的耦合透過效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種簡單的提高近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率的優(yōu)化系統(tǒng)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、探測器、收集鏡、探針、聚焦鏡、空間光調(diào)制儀器和驅(qū)動(dòng)器，所述計(jì)算機(jī)、探測器、空間光調(diào)制儀器和驅(qū)動(dòng)器組成閉合回路。所述空間光調(diào)制儀器用于調(diào)制光場分布，包括光場的相位、偏振和振幅分布。本發(fā)明無需設(shè)計(jì)探針尖端的特性，而是在現(xiàn)有的商用探針的基礎(chǔ)上，通過引入空間光調(diào)制儀器來改變?nèi)肷涔獾奶匦裕沟迷摫徽{(diào)制的光場(光波前)同探針耦合后，具有最高的耦合透過效率。
針對個(gè)體差異較大的探針，所述空間光調(diào)制儀器是空間光調(diào)制器，所述驅(qū)動(dòng)器是空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器，所述空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)多通道電壓驅(qū)動(dòng)器。所述計(jì)算機(jī)根據(jù)探測器傳送的光信號(hào)，通過空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器反饋控制空間光調(diào)制器，進(jìn)一步優(yōu)化光場分布，自動(dòng)循環(huán)進(jìn)行，直至找到最優(yōu)化的光場參數(shù)，此時(shí)探針具有最高的耦合透過效率。所述反饋控制是通過電壓控制實(shí)現(xiàn)。
由于工藝上，相位掩膜板可以做到比SLM更高的占空比、透過率、分辨率等參數(shù)，所以針對個(gè)體差異較小的探針，所述空間光調(diào)制儀器是相位掩膜板，其利用自適應(yīng)或數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的相位掩膜板，直接將相位掩膜板放置在聚焦鏡前面，便可以起到提高耦合透過效率的目的。
所述探測器為光電倍增管、雪崩二極管或電荷耦合器件。
一種近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化方法，包括以下步驟:
(I)判斷探針是個(gè)體差異較大還是個(gè)體差異較??；
(2)如果探針個(gè)體差異較大，則采用自適應(yīng)空間光調(diào)制的方法調(diào)制光場分布；如果探針個(gè)體差異較小，則采用預(yù)先設(shè)計(jì)的特定結(jié)構(gòu)的相位掩膜板的方法調(diào)制光場分布。
所述步驟(2)中自適應(yīng)空間光調(diào)制的方法，包括以下步驟:
(2.1)近場掃描光學(xué)顯微鏡的激光通過空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器調(diào)制激光的光場分布；
(2.2)經(jīng)過調(diào)制的激光通過聚焦鏡聚焦到探針內(nèi)；
(2.3)從探針耦合輸出的光，由收集鏡收集，并用探測器將光信號(hào)傳至計(jì)算機(jī)；
(2.4)計(jì)算機(jī)根據(jù)收到的光信號(hào)，通過空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器反饋控制空間光調(diào)制器，進(jìn)一步優(yōu)化光場分布，返回(2.1),如此循環(huán)，直至得到最優(yōu)化的光場分布，所述最優(yōu)化的光場分布是指使探針具有最高的耦合透過效率的光場分布。
所述步驟(2)中的相位掩膜板是采用自適應(yīng)或數(shù)值模擬的方法，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的相位掩膜板結(jié)構(gòu)。
所述光場分布包括相位、偏振和振幅分布。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，其本發(fā)明的優(yōu)化方法便于操作，簡單易行，摒棄傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)探針尖端特性的方法，不需要對探針的形狀和材料做任何的改造，大大提高了 NSOM照明模式下的耦合透過效率，同時(shí)不會(huì)降低儀器的其他性能。


圖1為本發(fā)明近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
實(shí)施例1
如圖1所示為一種近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)1、探測器7、收集鏡6、探針5、聚焦鏡4、空間光調(diào)制儀器2和驅(qū)動(dòng)器3，所述計(jì)算機(jī)1、探測器7、空間光調(diào)制器2和驅(qū)動(dòng)器組成閉合回路。所述探測器7為光電倍增管。所述空間光調(diào)制儀器2用于調(diào)制光場分布,包括光場的相位、偏振和振幅分布。
根據(jù)探針的性質(zhì)不同，所使用的空間光調(diào)制儀器2分為以下兩種:
第一種:由于工藝上，相位掩膜板可以做到比SLM更高的占空比、透過率、分辨率等參數(shù)，所以針對個(gè)體差異較小的探針5，所述空間光調(diào)制儀器2是相位掩膜板，利用自適應(yīng)或數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的相位掩膜板，直接將相位掩膜板放置在聚焦鏡4前面，位置關(guān)系如圖1所示，入射光的光場分布經(jīng)過相位掩膜板的調(diào)制，即得以優(yōu)化，此時(shí)便達(dá)到了提高顯微鏡耦合透過效率的目的。
第二種:針對個(gè)體差異較大的探針5，所述空間光調(diào)制儀器2是空間光調(diào)制器，所述驅(qū)動(dòng)器3是空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器，所述空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)多通道電壓驅(qū)動(dòng)器。其優(yōu)化方法具體包括以下步驟:
(2.1)近場掃描光學(xué)顯微鏡的激光通過空間光調(diào)制器，空間光調(diào)制器調(diào)制激光的光場分布；
(2.2)經(jīng)過調(diào)制的激光通過聚焦鏡4聚焦到探針5內(nèi)；
(2.3)從探針5耦合輸出的光，由收集鏡6收集，并用探測器7將光信號(hào)傳至計(jì)算機(jī)I ;
(2.4)計(jì)算機(jī)I根據(jù)收到的光信號(hào)，通過空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器反饋控制空間光調(diào)制器，進(jìn)一步優(yōu)化光場分布，返回(2.1),如此循環(huán)，直至得到最優(yōu)化的光場分布，所述最優(yōu)化的光場分布是指使探針具有最高的耦合透過效率的光場分布。
所述反饋控制是通過電壓控制實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，包括計(jì)算機(jī)、探測器、收集鏡、探針、聚焦鏡、空間光調(diào)制儀器和驅(qū)動(dòng)器，所述計(jì)算機(jī)、探測器、空間光調(diào)制儀器和驅(qū)動(dòng)器組成閉合回路； 針對個(gè)體差異較大的探針，所述空間光調(diào)制儀器是空間光調(diào)制器，所述驅(qū)動(dòng)器是空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器，所述空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)多通道電壓驅(qū)動(dòng)器；所述計(jì)算機(jī)根據(jù)探測器傳送的光信號(hào)，通過空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)器反饋控制空間光調(diào)制器；針對個(gè)體差異較小的探針，所述空間光調(diào)制儀器是相位掩膜板，其采用自適應(yīng)或數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述反饋控制是通過電壓控制實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述空間光調(diào)制儀器用于調(diào)制光場的相位、偏振和振幅分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，所述探測器為光電倍增管、雪崩二極管或電荷耦合器件。
專利摘要
本發(fā)明涉及掃描探針顯微技術(shù)領(lǐng)域：
，所要解決的技術(shù)問題是提供一種簡單的提高近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率的優(yōu)化系統(tǒng)及其優(yōu)化方法。一種近場掃描光學(xué)顯微鏡耦合透過效率優(yōu)化系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、探測器、收集鏡、探針、聚焦鏡、空間光調(diào)制儀器和驅(qū)動(dòng)器，所述計(jì)算機(jī)、探測器、空間光調(diào)制儀器和驅(qū)動(dòng)器組成閉合回路。本發(fā)明通過引入空間光調(diào)制儀器，對入射光場的光場分布進(jìn)行調(diào)制，使得該被調(diào)制的光場同探針耦合后，具有最高的耦合透過效率，同時(shí)不會(huì)降低顯微鏡系統(tǒng)的其他性能。
文檔編號(hào)G01Q60/18GKCN102072972SQ201010558891
公開日2013年9月18日 申請日期2010年11月25日
發(fā)明者周建英, 謝向生, 陳泳竹 申請人:中山大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4), 非專利引用 (1),