[发明专利]基于光纤的低温近场光学显微镜

说明书

本发明公开了一种基于光纤的低温近场光学显微镜，用于测量样品，包括光学部分和扫描机械部分，光学部分包括光源、光纤耦合器、干涉臂、探测器和近场耦合结构，所述光源与所述光纤耦合器的第一入射端口固定连接，所述探测器与所述光纤耦合器的第二入射端口固定连接。本发明公开的一种基于光纤的低温近场光学显微镜，其不仅省去了光波束引导机构的调试校准工序，还避免了系统机械部件老化所带来的位置漂移影响，其具有更好的抗环境干扰能力、安装位置受实际安装环境影响小和能够更经济的达到1.2K、4K的超低温环境等优点。

技术领域

本发明属于扫描近场光学显微镜技术领域，具体涉及一种基于光纤的低温近场光学显微镜。

背景技术

扫描近场光学显微镜(SNOM)是一种突破常规光学显微镜衍射极限的光学成像方案，可实现在纳米尺度下对样品材料形貌、组分、力学等关键性质的同步精准测量。同时由于其非接触式的探测原理，能够对样品实现无损测量，从而在生物材料领域中有着更大的优势。

现有的SNOM系统主要由两部分构成，对光波束进行约束并探测分析的光学部分和控制样品及探针的扫描机械部分。其中，扫描机械部分为原子力显微镜(AFM)，可以直接采用成熟AFM，特殊应用会根据AFM原理来针对化设计的具有相同功能的系统。光学部分常采用以迈克尔逊干涉仪原理为基础的设计的光波束引导机构，同时附带干涉测量所需的控制电机、光波束探测器及信号放大解调设备构成。但是采用迈克尔逊干涉仪原理所搭建的光波束引导机构所管控的光波束位于自由空间内，由于扫描探针尺度的原因对精度要求非常高，常常需要每一个光波束偏折元件具有调节功能，否则无法成功引导光波束到指定区域。大量光学元件调节架的存在会带来两个问题：一是光学元件调节架空间占用大，整套机构受调节架外形尺寸的限制较多，同时任何机械调节架都或多或少的存在运动机构随时间老化的现象，这会造成调校好的光波束经过一段时间后会发生偏移失去原有的作用；二是在低温系统中自由空间光的导入必须要开设窗口，这会带来外部辐射造成温度升高。

针对当前SNOM系统所存在的问题，本发明提出了一种具有全光纤化的SNOM光波束引导机构的基于光纤的低温近场光学显微镜。

发明内容

本发明的主要目的在于提供基于光纤的低温近场光学显微镜，其不仅省去了光波束引导机构的调试校准工序，还避免了系统机械部件老化所带来的位置漂移影响，其具有更好的抗环境干扰能力、安装位置受实际安装环境影响小和能够更经济的达到1.2K、4K的超低温环境等优点。

本发明的另一目的在于提供基于光纤的低温近场光学显微镜，用于测量样品，包括光学部分和扫描机械部分，光学部分包括光源、光纤耦合器、干涉臂、探测器和近场耦合结构，其中：

所述光源与所述光纤耦合器的第一入射端口固定连接，所述探测器与所述光纤耦合器的第二入射端口固定连接；

所述光纤耦合器的第一出射端口与所述近场耦合结构固定连接，所述近场耦合结构用于将所述光源发射的光波束汇聚于扫描机械部分的扫描探针的(探针)针尖上的有效近场散射区域(本发明的散射式近场显微镜的扫描探针的结构为悬臂梁、探针，探针与悬臂梁之上存在金属镀膜)并且收集样品近场信息，所述光纤耦合器的第二出射端口与所述干涉臂固定连接。

由近场耦合结构收集到的近场散射光波束(收集的样品近场信息)将原路返回至光纤耦合器，其中高比例能量将进入探测器，低比例能量将进入光纤隔离器被阻挡，近场耦合结构的主光轴与样品的表面夹角为30°，整个结构固定于由压电步进电机驱动的三维位移台之上，以实现与扫描探针的针尖的精确耦合。

第一出射端口对于第一入射端口时为低功率信号输出，第一出射口对于第二入射端口时为高功率信号输出；

第二出射端口对于第二入射端口时为低功率信号输出，第二出射口对于第一入射端口时为高功率信号输出。