[发明专利]一种低温扫描近场光学显微镜的光学系统

说明书

技术领域

本发明属于光学显微镜技术领域，具体是一种在低温真空环境下工作的扫描近场光学显微镜光学系统。

背景技术

近场光学显微术(SNOM)利用近场相互作用，可以达到小于100nm的分辨率，远远优于受衍射障碍限制的远场显微术。运用近场光学成像的想法第一次是由Synge在1928年提出的，他指出通过亚波长孔径照射物体与非常接近样品的探测器的结合，通过非衍射限制过程可以获得高分辨率。将原理变为现实的常规的实验仪器是Pohl et al.等人在1984年完成的，从而扫描近场光学显微镜得以实现，光学衍射极限获得真正突破。扫描近场光学显微镜(SNOM)在材料的纳米尺度光学成像，量子器件的发光特性，以及表面等离激元的近场探测等诸多领域得以应用。在低温环境下，一些常温的SNOM的问题可以得到改善。如SNOM的成像较慢，以此对系统的各种参数温漂敏感，而在在低温下，热噪声小，各种漂移参数得到抑制，有利于得到高质量长时间成像与光谱信息。光学探测时，光信号的信噪比大幅提高，可探测到常温下被淹没的微弱信号。光谱谱线宽度减小，有利于分辨精细能级结构。对于一些样品，如半导体、有机荧光分子中许多复合发光的现象与温度密切相关。在低温下一些非辐射复合过程发生的机率降低，载流子热运动的平均能量降低，因此发光效率比室温下大为提高，光谱宽度减小，信噪比高，而且诸如激子复合等现象也只能在低温下才能出现，载流子的寿命，迁移率等等其它性质也往往与温度密切相关。利用近场光学的高空间分辨率，结合低温的手段，可以对这些发光现象进行深入的研究。

目前商用SNOM一般都是工作在大气环境下，有着足够的空间引入复杂的开放光路。对于在低温真空环境下工作的SNOM，由于扫描头位于真空腔体的内部，受透镜数值孔径及工作距离所限，在真空腔体外架设和调节激发或收集光路非常困难。而如果在真空腔体中架设光路，一方面由于腔体内部空间有限，另一方面在真空腔体中调节光路的难度极大，所以要求低温SNOM的光路设计尽可能简化，便于操作。

发明内容

基于上述情况，本发明的目的是提供在低温真空环境中工作于反射式针尖收集模式下的SNOM的光学系统设计。

本发明的具体技术方案如下：

本发明设计的低温SNOM的光学系统包括激光器、照明光纤、粗逼近步进马达、光学聚焦镜、音叉、针尖光纤、光谱仪和光电倍增管，粗逼近马达的移动部件为石英三棱柱，石英三棱柱的中心设有通孔，照明光纤穿过该通孔，光学聚焦镜固定在石英三棱柱的下表面，光学聚焦镜包括上下两个光学共轴的透镜，针尖光纤与音叉固定在光学聚焦镜下方，针尖光纤穿过光学聚焦镜后从镜筒侧壁开孔引出，通过光纤导入到光谱仪和光电倍增管。

本发明的优点是：

将光学聚焦镜与粗逼近步进马达结合，配合使用音叉反馈方式，实现近场光信号的探测，整个设计只有两根光纤，无须再外加开放光路，使得真空腔体里光路调节简化。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

附图是本发明的结构示意图。

其中：1-氦镉激光器；2-照明光纤；3-粗逼近马达；4-光学聚焦镜筒；5-上透镜；6-下透镜；7-音叉；8-针尖光纤；9-陶瓷悬臂；10-光谱仪/光电倍增管。

具体实施方式

本发明低温SNOM的光学系统包括激光器、照明光纤、粗逼近步进马达、光学聚焦镜、音叉针尖光纤、光谱仪/光电倍增管，粗逼近马达3的移动部件是石英三棱柱，移动范围为10mm以内。石英三棱柱中心开有2mm直径的通孔，一根直径为200μm的照明光纤2穿过该通孔，该光纤的照明光源为波长为442nm的氦镉激光器1。光学聚焦镜筒4固定在石英三棱柱的下表面，上下两个光学共轴的透镜5、6为直径6mm的平凸镜，焦距为8.94mm。照明光纤作为激发光源固定于上透镜的正上方9mm的位置。这样激发光就可经两个透镜欠聚焦于针尖下方的样品表面。针尖光纤8与音叉7粘合后通过一陶瓷悬臂9固定在透镜6下方2mm处的中央位置。针尖光纤8由透镜6中心处1mm的通孔穿过后从镜筒侧壁引出。近场光信号由逼近样品表面的针尖光纤收集，利用光纤导入到光谱仪/光电倍增管10后转变为电信号，最后进入扫描控制端成近场光学像。