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《中国科学技术大学》 2010年
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扫描近场光学显微镜若干关键技术研究

吴云良  
【摘要】:扫描近场光学显微镜(Scanning Near-field Optical Microscopy, SNOM)是将扫描探针显微镜技术移植到了光学领域,从而得到超衍射极限分辨率的光学图像。经过几十年的发展,SNOM横向分辨率大大的提高了,已经从最初的几十纳米提高到十几纳米,并且扫描成像的稳定性很高。虽然SNOM的分辨率比STM、AFM低,但其长处在于能获得样品亚波长分辨的光学图像,在多个研究和产业领域都有着广泛的应用。本文从传统SNOM中存在的扫描非线性,扫描速度慢等问题出发,搭建了基于双DSP控制系统和扫描头模块化的SNOM系统,建立了非线性校正的模型及算法,设计并初步实验了一种高速扫描的石英片-光纤探针组件,和设计了一种基于四个压电陶瓷管的新的XYZ扫描台系统。 本文的研究工作主要包括以下几个方面: 1、搭建了以DSP为核心的插板式的SNOM控制系统,为近场光学领域内的研究提供了一个良好的平台。主要模块包括控制扫描和各种信号采集的DSP主控板,探针-样品距离的DSP反馈控制板,用于提供给反馈信号的相位检测控制板等。完成了XY扫描控制算法,和探针-样品距离控制的PID算法。 2、分析了SNOM扫描器产生非线性的原因,建立了SNOM扫描非线性校正模型,完成了用于非线性校正的软件预校正算法,有效的改善了图像的非线性。设计了一种基于实时监测探针位置附加系统,用于非线性校正的扫描头,预先采集不同电压下探针的位置数据,并通过二次多项式拟合算法和神经网络算法对位置-电压数据进行了处理,得到能输出线性位移的电压-位移模型。 3、提出了一种高频石英片-光纤探针结构,可以显著提高SNOM扫描速度。利用二阶机械系统模型分析了音叉探针-样品距离控制的原理,比较得出用相位信号来作为反馈信号比振幅信号有更好的响应速度,分析得出SNOM扫描速度慢的主要因素来源于音叉探针,于是我们设计了一种石英片-光纤探针,并尝试了多种粘针方法,测试了其谐振频率,Q值等各种性能。 4、由于单个压电陶瓷管弯曲量比伸长量大很多,设计了四个压电陶瓷管通过柔性铰链连接样品台的新扫描台结构,可以使样品台满足XYZ各个方向均有较大的动态范围。并用有限元方法对其进行了静态和动态性能的仿真分析。通过对样品台XYZ位移的测量,验证了理论仿真的正确性。
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