SNOM中折射率定标与提高扫速和对比度研究

【摘要】： 传统光学显微镜的衍射极限在200到300纳米之间,扫描近场光学显微镜(SNOM)打破了这个限制。我们研究所已于2002年研制成功原子力与光子隧道扫描组合显微镜(AF/PSTM)功能性样机,2003年研制成功AF/RSNOM功能性样机；但是,在AF/PSTM中还存在折射率图像定标和成像扫描速度太慢两个重要问题；在AF/RSNOM中存在需要提高反射率图像的对比度问题。本文在总结我们所早期对SNOM开展的研究工作,重点阐述了以下三方面有一定创新意义的工作：1、在调整AF/PSTM两束不同照射光强条件下,获取六个信号联合求解方法,用于折射率定标。2、研制检频电路,制备“微悬臂/光纤”组合光探针,提高AF/PSTM的两个关键性能：扫描速度和灵敏度3、提出用光探针小振幅共振和锁相技术结合方法,消除图像反散射本底直流成分,更有效地提高了AF/RSNOM图像的对比度。对以上三方面SNOM重要性能改进已获初步试验成功。文章共分为五个部分。 第一部分先介绍了与SNOM具有密切关系的扫描隧道显微镜和原子力显微镜。对SNOM从以下几方面进行了阐述：一、SNOM的发展史。二、SNOM如何突破光学衍射极限的理论以及隐失场与样品精细结构的关系。三、SNOM仪器的构成和分类。 第二部分的中心是SNOM的通用器件构成和研制方法。探针是实现SNOM高质量成像的关键,采用了热拉伸与动态静态腐蚀结合方法进行制备了光纤探针,其尖端直径小于100nm,锥角在60°-90°。扫描电路和PC端软件使用了模块化设计,使得系统具有灵活性和可扩展性。SNOM的成像需进行预处理和后处理提高成像质量,硬件上采用双对称照明方法消除假象,软件使用卷积滤波器、傅立叶滤波器和K-L滤波器滤除噪声。 第三章的重点阐述AF/PSTM如何在近场测量透明样品折射率的绝对值、完成定标；以及为实现此构想而研制的一种新型照明光可控的AF/PSTM实验系统。理论上推导用该系统检测六个隐失场强度(获取六组不相关方程)求解方法测量样品折射率,获得定标。为了获取满足条件的方程组,设计了随探针振荡位置改变照明光强度的方法。这种新型显微镜中,使用一个反馈回路控制照射样品的光强,探针与样品保持等间距垂直振荡,照射样品的光有两束且位置对称。DSP控制照射光强改变、近场光强采样与探针振荡同步。在一个振荡周期获取一组近场光强极值,在另一个周期,改变每束光强度,隐失场分布发生改变,得到一组不同的近场光强极值,探针的三个振荡周期就可以获取六组不相关方程,从而计算得到样品折射率。实验结果表明这种方法不但能有效测量样品折射率,而且还能够得到样品表面倾角。 第四部分论述核心是提高AF/PSTM扫描速度和灵敏度。SNOM的探针工作在轻敲模式,有两种主要的模式对它的探针／样品间距进行控制：检测控制探针振幅模式和检测控制探针频率模式。在振幅调制模式中,具有高Q值的探针增加了系统稳定时间,扫描速度降低。新设计系统采用频率调制模式,它不受探针Q值的影响,因此相对于振幅调制模式提高了扫描速度。提高AF/PSTM扫描速度的改进首先设计了一个使探针振荡在共振频率的正反馈系统；使用锁相环路(PLL)是检测此系统频率的关键部件,对PLL的设计流程进行详细介绍。实验显示采用检测控制探针频率模式的AF/PSTM实测带宽为50Hz,比采用检测控制探针振幅模式增加了一个数量级。为了提高AF/PSTM实验系统扫描速度同时提高检测灵敏度,研制了压电微悬臂／光纤组合探针,叙述了使用微机械工艺制造微悬臂的流程和组合探针的装配过程。实验测得组合探针的共振频率在80KHz附近,品质因数Q为1500左右。使用组合探针的PSTM扫描红细胞膜样品图像证明它的灵敏度要高于使用压电陶瓷片驱动光纤探针系统。 第五部分主要研究提高原子力／反射扫描近场光学显微镜(RSNOM)中图像信噪比的方法。我们实验AF/RSNOM新系统用的光纤分束器采用45度金属膜光纤分束器(商品),其散射本底比早期使用的Y-型光纤分束器小；反射本底噪声是直流成分,因此探针以小振幅(5nm-10nm)振荡,采集的反射隐失光信息通过锁相环(相当于中心频率与探针振荡频率相同的带通滤波器)可消除反散射本底。对离子刻蚀金属光栅的扫描实验证明,新的AF/RSNOM实验系统的图像信噪比得到了有效改善。 本文最后总结了对SNOM研究所取得一些成果并且提出了展望,指出了本课题现存在的问题和进一步发展的方向。