激光原子力显微镜及其对光学表面粗糙度的研究

　　自一九八五年，Binnig与斯坦福大学的Quate和IBM公司苏黎士实验室的Christph合作推出了世界上第一台原子力显微镜(简称AFM)以来，AFM的研究及应用迅速扩展。它不仅象扫描隧道显微镜那样能从原子尺度上对导体、半导体表面而且还能对非导体的表面进行成像，拓宽了STM的应用范围。

　　我们自己研制的激光原子力显微镜的工作原理如图1所示。样品直接放置在压电陶瓷管上，力敏感元件微悬臂的尖端起一个探针作用。当针尖与样品之间的距离达到几个埃的大小时，它们之间产生原子斥力，该斥力使微悬臂发生偏转，从而导致反射到二象限光电探测器上的光斑发生位移。通过合适电路，从光电二极管两象限取出(A-B)/(A+B)信号作为控制信号，送到反馈装置，进而控制压电陶瓷管Z向电压的变化，调节样品高度，使微悬臂的变化程度保持不变。当样品对微悬臂扫描时，便可将样品的运动转化为表示样品表面起伏的图像。

　　微悬臂是AFM中的关键器件，AFM要求微悬臂有非常小的弹性系数，同时有高的谐振频率以降低仪器对低频噪声的敏感性，这两者是相互制约的，因而制造合适的微悬臂是一件困难的事情。我们采用机械加工法制成的三角形铝微悬臂，其弹性系数为5.47N/m，谐振频率为1.0kHz，基本上符合实验要求。

　　利用自制的AFM对金刚石刀具车削光学铜镜进行了观察。

　　在扫描频率为X:80Hz，Y:0.020Hz，扫描范围400nmx400nm时，得到图像(图2)。从图2中，可看出有7个凸峰，高度为4~8nm，相关长度为40nm。传统上认为在车刀进给量之间的表面是“光滑”的或者说粗糙度是可以忽略不计的。我们却发现了它的高频粗糙度成份的存在，并且是单点金刚石车削的镜面不能用于可见及紫外波段的重要原因之一，是金刚石后续抛光的着眼点。图中的粗糙度呈交叠形式，我们推断这很可能是由于单点金刚石车刀刀刃上“多点”联合车削造成的，是车刀刃口的微观(几个nm量级)缺陷。

　　利用AFM检测单点金刚石车削镜面质量方法与其他光学测量方法相比，一个突出的特点就是可以检测到高频粗糙度，对于超精密光学元件的检测具有重要意义。

　　作者：钱建强 于劲 高藉 姚骏恩