本发明专利技术公开了一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，该测头包含扫描模块、光杠杆检测模块、光学显微镜模块、悬臂梁探针，扫描模块由一个三维平板扫描机构和一个Z向扫描器组成，光杠杆检测模块将激光分成两束偏振光，一束用于检测扫描机构的位移，另一束用于检测悬臂梁的形变，将两束光的光斑位置相减可得到无偏移误差的悬臂梁形变量，有利于提高大范围扫描时的测量准确性，光学显微镜模块与光杠杆检测模块相互独立，互不干扰，并且光杠杆检测模块中的一部分元件设置在扫描模块的外部，可降低扫描机构的负载，提高扫描速度。提高扫描速度。提高扫描速度。
【技术实现步骤摘要】
一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头
[0001]本专利技术涉及原子力显微测量领域，尤其是涉及一种可实现光束偏移补偿的探针扫描式原子力显微镜测头。
技术介绍
[0002]原子力显微镜专利技术于上世纪80年代，由于它能够以纳米级分辨力观测到微结构表面的形貌，被广泛应用于半导体工业、纳米材料、生命科学等领域。作为一种接触式测量方法，原子力显微镜需要采用带针尖的悬臂梁探针探测样品，其中针尖用于接触样品表面，接触所产生的微弱作用力使悬臂梁发生形变，再根据悬臂梁的形变量来反映样品表面形貌。
[0003]目前，原子力显微镜多采用光杠杆光路检测悬臂梁的形变。光杠杆光路位于原子力显微镜的测头内，其原理是激光器发出激光束，经过会聚后照射在悬臂梁上，悬臂梁将光束反射至光电探测器上，由探测器上光斑的位移量来反映悬臂梁形变量。除此之外，原子力显微镜还需要配备纳米扫描机构带动探针和样品做相对运动，以得到样品的完整形貌。根据扫描运动的对象不同，原子力显微镜结构可分为样品扫描(如图1(a))、组合扫描(如图1(b))和探针扫描(如图1(c))三种。其中，探针扫描是将扫描机构设置在测头内，测量时样品静止、探针运动，可以克服被测样品在尺寸和重量方面的局限性，是搭建工业型原子力显微镜的最佳结构方案。但在探针扫描式原子力显微镜系统中，光杠杆光路和扫描机构均集成在测头内，扫描机构的运动可能会使光杠杆光路的光束产生偏移，从而影响测量的准确性。以Bruker公司的Dimension Icon原子力显微镜为代表的探针扫描结构中，三维扫描机构采用了压电陶瓷管，通过跟踪透镜确保光杠杆检测光束在扫描过程中能够聚焦到悬臂梁上，但在扫描范围较大时仍会出现光斑偏移现象，并且管状扫描器还存在弓形效应，使测量图像产生畸变。如果考虑将光杠杆检测模块完全置于扫描机构上，扫描时检测光路可以和探针联动，虽然可以解决光斑偏移的问题，但会导致扫描机构的负载过大，降低扫描速度。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而设计一种新型探针扫描式原子力显微镜测头，该测头所采用的双光束检测光路可以同时检测扫描机构的运动位移和悬臂梁的形变，由于悬臂梁的形变量中包含扫描机构运动所引起的偏移，故将两个信号相减得到无偏移误差的悬臂梁形变量。在双光束检测光路结构中，光电转换装置被设置在扫描机构的外部，极大地减少了扫描机构的载荷，确保探针可以在较高速度下扫描。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头由扫描模块、光杠杆检测模块、光学显微镜模块、悬臂梁探针构成。
[0007]优选地，所述扫描模块包括有三维平板扫描机构和固定连接在三维平板扫描机构上的Z向扫描器。
[0008]优选地，所述光杠杆检测模块包括有激光器、沿激光器光路依次设置的准直镜、矩
形光阑、第一反射镜、偏振分光棱镜、第二反射镜、会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片、第五反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一小型二维位移台、第二小型二维位移台；射向所述第一光电探测器和第二光电探测器的光束相互平行。
[0009]优选地，所述Z向扫描器固定在四分之一波片的下方，Z向扫描器的下方装有悬臂梁探针，悬臂梁探针与水平方向成10度角。
[0010]优选地，所述悬臂梁探针的悬臂梁位于准直光束经会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片后的会聚焦平面上，Z向扫描器带动悬臂梁探针运动的行程小于会聚透镜的焦深。
[0011]优选地，所述光学显微镜模块位于第四反射镜的上方，光学显微镜模块包括有物镜、分光镜、管镜、CCD相机、照明光源，它们组成了无限共轭显微光路，所述物镜的入瞳直径大于下方反射镜的尺寸。
[0012]优选地，所述激光器、准直镜、矩形光阑、第一反射镜、偏振分光棱镜、第二反射镜、会聚透镜、第五反射镜标记为子结构I，所述第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片、Z向扫描器、悬臂梁探针标记为子结构II，子结构I和子结构II固定在三维平板扫描机构上；所述第一光电探测器、第二光电探测器、第一小型二维位移台、第二小型二维位移台、信号处理电路标记为子结构III，所述光学显微镜模块标记为子结构IV，所述三维平板扫描机构、子结构III、子结构IV固定在一维或者二维或者三维的电动位移台上。
[0013]优选地，所述偏振分光棱镜将激光光束分成偏振方向相互垂直的P偏振光和S偏振光，其中P偏振光射向第二光电探测器，S偏振光经过第二反射镜、会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片后射向悬臂梁探针。
[0014]优选地，所述第四反射镜与水平面成40度角，经第四反射镜反射的光束可垂直于悬臂梁探针照射。
[0015]优选地，所述四分之一波片的光轴与经过它射向悬臂梁探针的S偏振光偏振方向成45度角；被悬臂梁探针反射回的光束经过四分之一波片、第四反射镜、第三反射镜、会聚透镜、第二反射镜、偏振分光棱镜、第五反射镜后射向第一光电探测器。
[0016]本专利技术的一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头可达到以下有益效果：
[0017](1)当探针扫描范围小于光斑尺寸时，可完全消除扫描机构运动引起的光杠杆检测光束偏移；
[0018](2)将光杠杆检测模块中的光电探测器和固定它们的二维位移台置于三维扫描机构外部，可减小三维扫描机构的载荷，确保探针在较高速度下扫描。
[0019](3)悬臂梁探针的光杠杆检测模块和光学显微镜模块相互独立，互不干扰，既有利于提高测量稳定性，也可达到较好的光学观察效果。
附图说明
[0020]图1(a)、图1(b)、图1(c)是原子力显微镜的三种典型扫描架构；
[0021]图2是本专利技术的原子力显微镜测头整体结构正视图；
[0022]图3(a)是子结构II的俯视图；图3(b)是子结构II的左视图。
[0023]图中标号：10
‑
激光器，11
‑
会聚透镜，12
‑
光电探测器，13
‑
悬臂梁探针，14
‑
样品，15
‑
三维扫描机构，16
‑
一维扫描机构，17
‑
二维扫描机构，101
‑
激光器，102
‑
准直镜，103
‑
光
阑，104
‑
第一反射镜，105
‑
偏振分光棱镜，106
‑
第二反射镜，107
‑
会聚透镜，201
‑
第三反射镜，202
‑
第四反射镜，203
‑
四分之一波片，204
‑
Z向扫描器，205
‑
悬臂梁探针，301
‑
第一光电探测器，302
‑
第二光电探测器，303
‑
第一小型二维位移台，304本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，由扫描模块、光杠杆检测模块、光学显微镜模块、悬臂梁探针构成。2.如权利要求1所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述扫描模块包括有三维平板扫描机构和固定连接在三维平板扫描机构上的Z向扫描器。3.如权利要求2所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述光杠杆检测模块包括有激光器、沿激光器光路依次设置的准直镜、矩形光阑、第一反射镜、偏振分光棱镜、第二反射镜、会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片、第五反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第一小型二维位移台、第二小型二维位移台；射向所述第一光电探测器和第二光电探测器的光束相互平行。4.如权利要求3所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述Z向扫描器固定在四分之一波片的下方，Z向扫描器的下方安装悬臂梁探针，悬臂梁探针与水平方向成10度角。5.如权利要求4所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述悬臂梁探针的悬臂梁位于准直光束经会聚透镜、第三反射镜、第四反射镜、四分之一波片后的会聚焦平面上，Z向扫描器带动悬臂梁探针运动的行程小于会聚透镜的焦深。6.如权利要求5所述的可实现光束偏移补偿的原子力显微镜测头，其特征在于，所述光学显微镜模块位于第四反射镜的上方，光学显微镜模块包括有物镜、分光镜、管镜、CCD相机、照明光源，它们组成了无限共轭显微光路，所述物镜的入瞳直径大于...
【专利技术属性】
技术研发人员：张锐，吴森，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。