SNOM压电扫描器非线性特征的测量与校正

    1　引言

    现代科学技术的发展提出了纳米分辨率光学成像的要求。这促使人们突破传统光学显微镜分辨率的局限性寻求新的光学显微成像法,以打破传统光学衍射极限的限制。作为扫描探针显微镜家族的重要成员,近场光学显微镜(SNOM)的光学成像分辨率达到纳米量级,除强度对比度之外还可获取荧光对比度、偏振对比度、折射率对比度、吸收对比度、光谱对比度等信息。SNOM能够在纳米空间提供如此丰富的光学信息,在探测样品的多样性上显示出其他SPM所无法比拟的优越性^[1,2]。

    为了获得样品的图像和局域点的信息,SNOM必须对样品进行二维的扫描,一般是采用压电陶瓷作为微位移元件。如图1所示,一般采用的是四分压电陶瓷管来实现XY二维的扫描^[3]。

    压电陶瓷扫描器是SNOM完成三维扫描运动的关键部件,是整个仪器的核心,其性能直接决定了图像的质量。因此,必须对压电陶瓷扫描器的扫描范围、扫描当量、线性度等动态特性进行定量测试和校正。

    本文在测量压电陶瓷位移-电压特性的基础上,提出通过改变驱动电压的方法实现压电陶瓷位移线性输出的校正方法。

    2　扫描非线性特性的测量

    SNOM采用的是三角波扫描,扫描波形用计算机产生的阶梯波模拟,以双极性电压输出,经放大后驱动压电陶瓷,对样品实现逐行、逐点的光栅式扫描。由于扫描样品的过程是具有一定扫描速度的动态过程,因此应当对其动态扫描性能进行测试。

    实验中使用了德国Polytec公司的OFV3000型激光光纤测振干涉仪。这种仪器基于马赫-曾德干涉原理,可在5 cm～30 m范围内测量物体的振动速度和幅值大小,最高分辨率为8 nm,可以直接观察扫描器的位移波形。本文利用该仪器对PZT扫描管在不同的激励电压幅值、频率下的扫描范围、非线性特性等进行了动态测量研究。

    实验装置如图2所示,计算机通过D/A输出扫描波形,经高压放大后驱动压电陶瓷产生XY向扫描运动。测振干涉仪输出测量、参考两束激光,将参考光聚焦在扫描器的固定端,测量光聚焦在扫描端。反射回的两束光发生干涉,经干涉仪的控制单元处理后即可得到扫描器的位移波形。由A/D卡将测振仪输出的模拟位移信号转换成数字信号输入计算机,实现对测量结果的实时显示和分析。

    众所周知,压电陶瓷的位移-电压关系呈明显的电滞特性,而且随驱动电压范围、扫描步长以及各扫描点等待时间的不同,其位移与电压之间的非线性关系也不同。下文的测量均以X方向扫描为例,扫描电压(400～+400 V,扫描步长8 V,每扫描点等待时间8 ms。图3是测得的位移-电压关系曲线。表1列出了位移-电压特性曲线拟合的结果。