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原子力与光子扫描隧道组合显微镜功能性样机

章健  
【摘要】:扫描探针显微镜(SPM)当前的发展趋势是功能复合化和数字化。原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)就是一种数字化的兼有原子力显微镜(AFM)和光子扫描隧道显微镜(PSTM)功能的新型SPM。 一般(单光束)的PSTM在成像中,存在假象和样品光学图像与形貌图像难于分离两个困难。根据吴世法教授提出的解决这两个难题的概念设想,本人负责申请并获得国家自然科学面上青年科学基金:“AF/PSTM光纤尖共振调制成像模式”项目(原博士论文的开题报告)。通过对该仪器核心部件—双功能AF/PSTM光纤尖共振策动方案研究,并在国家和学校基金资助下,将课题目标提升为:研制新一代原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)功能性样机。 论文第一部分为绪论,主要介绍了SPM扫描探针显微镜的发展过程和现状,其中重点叙述了原子力显微镜(AFM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)和扫描近场光学显微镜(SNOM)等的基本原理,并阐明了在一般PSTM光学成像上存在假象和光学图像与形貌图像不能分解的两个问题。第二部分讲述AF/PSTM系统理论和总体设计,阐明了PSTM减少假象的原理,AF/PSTM光学信号的分解原理等。这些理论说明,通过使用AF/PSTM双功能弯光纤尖作探针,在共振调制轻敲等振幅成像模式下,AF/PSTM可以同时得到样品的光学折射率、透过率和形貌图像。由此,提出AF/PSTM样机的原理结构,将这些原理作为AF/PSTM系统设计要求的依据,形成了AF/PSTM样机的总体设计。第三部分根据样机的总体设计要求,说明AF/PSTM样机研制中几个重要环节:双功能光纤尖共振调制扫描工作模式,仪器主从式结构设计,PSTM光信号的图像分解的解算实时处理架构,电控主机箱的设计,以及光纤共振峰的搜索等。主从式结构设计可使系统能灵活地实现硬件升级,能较好地贴近商业性样机要求。第四部分介绍AF/PSTM样机研制中的监控软件设计,监控软件负责人机接口、DSP管理及其他模块在内的整个系统管理任务,它作为WINDOWS的应用程序也采用模块化设计,存储的文件格式和国际通用的格式兼容。第五部分详细介绍了DSP卡的设计,通过采用DSP卡,保障了AF/PSTM系统的主一从式结构的运行,同时负责扫描工作的反馈控制和结果上传。DSP卡的设计采


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