用于原子力与光子扫描隧道组合显微镜的浸油显微物镜

　　1　引　言

　　1981年,世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)[1]问世,使得科学家对微观世界有了更深入的认识。1984年,D.Pohl等人制成了以微孔径为探针的第一台近场光学显微镜^[2] 。此后,近场光学显微镜以其无侵入性及超高分辨率的优势迅速发展,并被广泛应用于纳米光学成像、纳米光刻^[3-5] 、微观活生命体科学研究^[6] 及超高密度光存储^[7] 等领域。光子扫描隧道显微镜(PSTM)是近场光学显微镜中的一种。我们于2002年成功研制了分辨率低于10 nm的双功能原子力与光子扫描隧道显微镜样机(AF/PSTM),此样机在第一台PSTM的基础上通过用π对称双光束照明消除由于光的干涉等带来的假象^[8] 。

　　AF/PSTM的核心是一个弯光纤尖系统,用π对称光束照明全内反射样品台,样品台上的共振弯光纤尖采集样品表面由于全内反射而产生的近场光学信号并将该近场光学信号转化为远场光学信号,通过图形采集系统转化为无假象的样品光学图像及形貌图像[8]。实验中每次更换新的样品时,对称照明光束都需要重新手动调节,同时光纤探针也需要重新放置,不仅对称光束调节难度比较大,而且在重新放置探针的过程中光纤探针有损坏的危险。本文提出了一种新的照明方案,并且详细介绍了用于这种新照明系统的高数值孔径显微浸油物镜的设计过程。

　　2　照明系统的改进方案

　　现有的AF/PSTM照明系统由全内反射样品台,一对半导体激光器,一对激光x、y、z调节支架和x、y微调支架构成。激光波长为630~650 nm的单色光。半导体激光器发出的光束平行入射到特制的样品台上,经样品台侧面折射后入射到样品台与样品的接触面,此时的入射角大于样品台与样品接触面的全内反射角,从而发生全内反射。实验中激光器对称放在样品台两边的水平支架上,通过调节支架来调整激光器的高度和水平方向,从而将全内反射光斑调整到光纤探针对应的样品位置,要求对称光束在样品表面发生全内反射时的0.5mm大小的光斑正好严格重合在探针尖对应的样品位置,误差控制在0.1 mm以下。采用普通的调节支架及微调支架来调节激光器费时费力,对实验员的操作能力要求很高,不利于仪器的商品化。

　　本文提出了一种新的照明方案,如图1所示。将样品放置在浸油物镜可以随意拆卸的盖玻片上,由两个相同的激光器发出的非相干光入射到物镜中,在盖玻片表面发生全内反射。半导体激光器与反射镜固定,勿需每次更换针尖或者样品后都重新调节光路,只需要把针尖调节到照明光斑所在位置

　　本系统的改进中,最重要的就是高数值孔径的显微物镜的设计。浸油物镜需要对直径小于1mm的激光光斑成像,而物镜的衍射分辨率由数值孔径NA来决定,因为根据物镜的衍射分辨率公式其中,δ为物镜可以分辨的最小物点间隔,λ为入射光的波长,NA为物镜的数值孔径。要得到高的衍射分辨率,就需要提高显微物镜的数值孔径。另外,本系统要求入射光线在盖玻片和样品的接触面处产生全内反射,而生物活性样品的折射率一般在1.33~1.38之间,要在接触面产生全内反射,必然要求浸油物镜的NA>1.38。因为根据定义NA=nsinu,而全反射时满足nsinu=n ₀,其中,n ₀为生物活性样品的折射率。尽管市场上已经有了数值孔径大于1.6的浸油物镜^[9] ,但价格昂贵。而该照明系统对色差的校正要求不高,此浸油物镜系统的设计在我们现有的条件下比较容易实现。所以我们自行设计了此浸油物镜。