[发明专利]一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头

权利要求书

1.一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，是由光学检测模块（Ⅱ）和与所述的光学检测模块（Ⅱ）进行光连接的扫描模块（Ⅰ）构成，其特征在于，所述的扫描模块（Ⅰ）包括有：能够进行水平一维扫描运动的Y向一维扫描机构（7）和固定连接在所述Y向一维扫描机构（7）上能够进行垂直一维扫描运动的Z向一维扫描机构（5），所述的Z向一维扫描机构（5）上固定有悬臂梁探针（3）和位于悬臂梁探针（3）上方的非球面透镜（4），所述的Y向一维扫描机构（7）上固定设置有与所述的非球面透镜（4）透射光路相对应的直角棱镜（6）；所述的光学检测模块（Ⅱ）包括有：沿直角棱镜（6）的水平入射光路依次设置的激光器（8）、准直镜（9）、极化分光镜（10）、四分之一波片（11）和第一分束器（12），其中，所述的第一分束器（12）的垂直分光光路上依次设置有第二分束器（17）、管镜（19）和CCD相机（20），所述的第二分束器（17）的水平方向接口连接有照明光源（16），所述的极化分光镜（10）的垂直光路上依次设置有会聚透镜（13）和光电探测器（15）。

2.根据权利要求1所述的一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，其特征在于，所述的光学检测模块（Ⅱ）和Y向一维扫描机构（7）固定在测头基座上。

3.根据权利要求1所述的一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，其特征在于，所述的Z向一维扫描机构（5）的工作方向与所述的Y向一维扫描机构（7）的工作方向正交。

4.根据权利要求1所述的一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，其特征在于，所述的所述的光学检测模块（II）发出的激光以线偏振光形式进入所述的扫描模块（I），从所述的扫描模块（I）返回光学检测模块（II）的激光束也为线偏光。

5.根据权利要求1所述的一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，其特征在于，所述的第二分束器（17）和管镜（19）之间设置有衰减片（18）。

6.根据权利要求1所述的一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，其特征在于，所述的光电探测器（15）安装在会聚透镜（13）的后焦平面以外。

7.根据权利要求1所述的一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，其特征在于，所述的会聚透镜（13）和光电探测器（15）之间设置有滤光片（14），所述滤光片（14）紧邻光电探测器（15）安装，且滤光片（14）的通带频率与所用激光频率一致。

8.根据权利要求1所述的一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，其特征在于，所述的悬臂梁探针（3）位于非球面透镜（4）的焦点处，扫描过程中悬臂梁探针（3）与非球面透镜（4）跟随Z向一维扫描机构（5）运动且保持相对位置不变；而Z向一维扫描机构（5）又跟随Y向一维扫描机构（7）进行水平扫描运动，从而使悬臂梁探针（3）和非球面透镜（4）保持与直角棱镜（6）的水平相对位置不变。

9.根据权利要求1所述的一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，其特征在于，所述的CCD相机（20）、管镜（19）、第一分束器（12）、直角棱镜（6）和非球面透镜（4）构成用于观察悬臂梁和样品的无限共轭显微光路；所述的光电探测器（15）、会聚透镜（13）、极化分光镜（10）、四分之一波片（11）、第一分束器（12）、直角棱镜（6）、非球面透镜（4）和悬臂梁探针（3）构成光杠杆光路。

10.根据权利要求1或9所述的一种光束跟踪式原子力显微镜扫描测头，其特征在于，设定非球面透镜（4）、会聚透镜（13）、管镜（19）的焦距分别对应为f₁、f₂、f₃，会聚透镜（13）后焦面到光电探测器（15）光敏面的距离为L，设置悬臂梁探针（3）的悬臂梁长为l，并设定激光在悬臂梁上的反射点，即悬臂梁探针（3）在悬臂梁的自由端处，则根据几何光学及材料力学原理得到：光杠杆光路对探针自由端Z向位移的放大倍率为A=3(L/l)·(f₁/f₂)；无限共轭显微光路的光学放大倍率为M=f₃/f₁；在保持扫描模块（I）不变的情况下，通过调整光学检测模块（Ⅱ）中会聚透镜（13）、管镜（19）的焦距和光电探测器（15）的位置即调节了相关放大倍率和检测灵敏度。