模块化的保偏近场扫描光学显微镜结构设计

　　1　引　言

　　由于光波的衍射效应,传统光学显微镜的分辨率只能达到约光波长的一半。近场光学是80年代以来光学领域中出现的一个新的学科,近场光学对传统的 光学分辨率极限产生了革命性的突破[1]。近场扫描光学显微镜(Near-field Scanning OpticalMicroscopy简称NSOM,也称作SNOM)[2]就是利用一个孔径小于光波长的探针作为光源或探测器,在距样品表面纳米级距离的 近场内以光栅扫描的方式进行成像,其分辨率主要取决于探针的孔径以及探针与样品表面的间距,而不受衍射极限的限制,因而大大的提高了光学分辨率。它可应用 于超高分辨率光学成像,近场局域光谱,高密度数据存储,生命科学,单分子光谱,量子器件发光机制等诸多领域。

　　早在1928年, Synge就提出了近场探测的模型[3],即以亚波长尺度的小孔为光源,距离样品表面远远小于波长进行扫描成像。由于多方面的原因,直到80年代,当扫描 隧道显微镜(STM)在1981年出现时[4],才有人几乎同时提出近场光学显微镜的设想(1983)[5]。相对于AFM(原子力显微镜)和STM(扫 描隧道显微镜), SNOM技术还不是很成熟,这跟SN-OM仪器本身的一些限制有关,首先由于音叉光纤探针比较脆弱,这给制作和安装带来很大的不便;其次扫描得到的光学图 像的最终解释问题,现有的SNOM仪器中的折射、反射元件,在进行光学图像测量过程中会引入附加的偏振态,这将导致最终的光学图像难以准确解释。目前国内 的SNOM仪器主要依靠进口。我们采用模块化的设计思想,设计了一套横置的SN-OM。使用模块化的音叉光纤探针,可以轻松地安放光探针,大大简化了操作 难度;将探针振动检测和探针———样品高度监视光学成像系统组合成为SNOM探头模块;配合自制扫描器和光学系统,使整个SN-OM系统模块化,便于和其 他光学系统组合。

　　2　模块化的保偏近场扫描光学显微镜原理和结构

　　SNOM采用模块化设计,主要分为光电检测系统、扫描探头、扫描台、控制系统四大模块。光学系统可根据需要添加光学元件;扫描台包括样品台、压 电陶瓷管和显微物镜。SNOM工作时,样品置于样品台上,探针选择音叉光纤探针模块的谐振点,利用剪切力控制探针和样品间距在纳米距离内。扫描过程中样品 台实现光栅扫描和高度调整,保持探针和样品间的恒定剪切力作用,可以同时得到样品的形貌和光学图像。由于采用模块化设计,可以灵活的改变光电检测系统实现 多种模式的探测。SNOM实物图如下图2所示。

　　SNOM仪器控制系统包括光探针振动检测仪,SNOM MODULATOR&DEMODULATOR, SNOM控制器。光探针振动检测仪实现音叉激励信号的频率扫描和相位检测, SNOM MODULATOR&DEMODULATOR实现光学信号的调制和检测,SNOM控制器实现DSP反馈控制和高压电源和高压放大功能。竖置和横置 型的SNOM都是用的相同的电子学控制系统。在机械结构设计方面做了些巧妙的改变。