微区稳态/瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1.

请参见图1、图3。图1是本发明一个稳态光电检测具体实施例的结构示意图，由图可见，一种微区稳态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，包括激光照射系统、具有近场光学与原子力形貌同时成像的扫描近场光学显微镜、外检测电路、扫描近场光学显微镜控制机箱以及计算机控制与数据采集系统。

一连续激光器1的激光出口前方安装有斩波器2以及在斩波器2后面安装有激光耦合与光纤系统22；在激光耦合与光纤系统22的后面安装带有CCD图像采集器4、白光光源5、Z向步进电机7、探针位置传感器12、显微物镜21和与悬臂位置监测用红外激光器6相连接的激光耦合与光纤系统23的共聚焦光学显微镜3；且显微物镜21是在共聚焦光学显微镜3的下方；

在共聚焦光学显微镜3上的显微物镜21上有一通过固定架固定的探针固定与三维调整支架13；一扫描近场光学显微镜探针17固定在探针固定与三维调整支架13上，且扫描近场光学显微镜探针17在显微物镜21的正下方；

一高精度XYZ扫描台24，在高精度XYZ扫描台24里安装有显微物镜9，且该显微物镜9是安装在扫描近场光学显微镜探针17下方的垂直方向上；一三维步进电机10与该显微物镜9连接；在该显微物镜9下方的光路上安装有全反镜11，全反镜11与一换向电机25连接；在全反镜11下方的光路上安装有光探测器26；

一CCD图像采集器16安装在全反镜11的反射光的光路上；

在高精度XYZ扫描台上有用于固定样品的导电的固定夹；样品8通过导电的固定夹被固定在扫描近场光学显微镜探针17下方的高精度XYZ扫描台24上，且在扫描近场光学显微镜探针17与安装在高精度XYZ扫描台24里的显微物镜9之间的光路上；

一锁相放大器14通过导线与斩波器2连接，高精度XYZ扫描台24上的导电的固定夹、扫描近场光学显微镜探针17、计算机控制与数据采集系统18分别与锁相放大器14连接；

所述的CCD图像采集器4、CCD图像采集器16、换向电机25通过导线与计算机控制与数据采集系统18相连；

所述的Z向步进电机7、探针位置传感器12、探针固定与三维调整支架13、高精度XYZ扫描台24以及光探测器26通过导线与扫描近场光学显微镜控制机箱15相连；

所述的扫描近场光学显微镜控制机箱15与计算机控制与数据采集系统18通过导线相连。

连续激光器1输出的激光光束通过斩波器2成为调制的激光，通过激光耦合与光学系统22进入到共聚焦光学显微镜3，斩波器2的斩波频率输入到锁相放大器的参比端。

SNOM探针17固定在探针固定与三维调整支架13上，并通过探针固定与三维调整支架13调整使得针尖小孔在显微物镜21的正下方，Z向步进电机7则控制共聚焦光学显微镜3以及SNOM探针17Z向的位移，实现探针逼近样品以及从样品表面抬起。

监视系统包括白光光源5、CCD图像采集器4、显微物镜9、三维步进电机10、全反镜11以及CCD图像采集器16，白光光源5输出的白光光束经共聚焦光学显微镜3以及显微物镜21照射到样品表面，反射回来的白光再经显微物镜21以及共聚焦光学显微镜3进入CCD图像采集器4在其上成样品上表面的光学显微图像，显微物镜9、全反镜11以及CCD图像采集器16则构成下光路监视系统，可以从下方观测样品下表面的光学显微图像，以及可以从下方观测SNOM探针17逼近样品的情况，及激光是否从SNOM探针17的小孔中出射。

光电信号检测电路由斩波器2、锁相放大器14、样品8、SNOM探针17所构成。SNOM探针17通过探针固定与三维调整支架13上的导电点与BNC线的屏蔽层相连接；样品8通过高精度XYZ扫描台24的样品夹与BNC线的内芯相连接，此BNC线与锁相放大器14的信号输入端相连接；斩波器2的频率输出与锁相放大器14的参比频率输入端相连接。在针尖和样品间产生的光电信号进入锁相放大器14，然后被计算机18的数据采集程序采集。

控制与反馈系统包括悬臂位置监测系统与SNOM控制与扫描系统：

悬臂位置监测系统包括悬臂位置监测用红外激光器6、激光耦合与光纤系统23、探针位置传感器12，悬臂位置监测用红外激光器6输出的激光经激光耦合与光纤系统23进入共聚焦光学显微镜3，然后经共聚焦光学显微镜3的内光路以及显微物镜21照射在SNOM探针17小孔的偏上方，反射回来的激光经共聚焦光学显微镜3以及显微物镜21进入探针位置传感器12，探针位置传感器12感应探针位置的变化，将变化的信号输入到SNOM控制机箱15，SNOM控制机箱15根据探针变化的信号调整高精度XYZ扫描台24的位置。

SNOM控制与扫描系统包括SNOM控制机箱15、高精度XYZ扫描台24、光探测器26，高精度XYZ扫描台24上有导电良好的金属夹用于夹持样品8，同时有导电连接口与锁相放大器输入端相连，SNOM控制机箱15控制高精度XYZ扫描台24在X、Y方向上的移动，而其Z方向的位移则反映样品表面的形貌高度变化，光探测器26则记录每一点光信号，高精度XYZ扫描台24的Z方向位移以及光探测器26记录的光信号输入到计算机控制与数据采集系统18中，通过相应的程序就可以得到表面的原子力形貌像与近场光学像。

计算机控制与数据采集系统18包括SNOM的控制与扫描成像程序、锁相放大器14的数据采集程序、CCD图像采集器4和16的程序，SNOM控制机箱15输出TTL信号输入计算机作为锁相放大器14的数据采集程序的触发程序。

样品8的制备有两种方式。一种是在导电的基底上制备样品，并且在边缘处有部分导电基底不为样品所覆盖，可以直接和高精度XYZ扫描台24上的导电样品夹导通，此时电流的传输主要为样品的纵向方向；对于某些样品，也可以在边缘镀上部分导电层如金，此导电层与高精度XYZ扫描台24上的导电样品夹导通，此时电流的传输主要为样品的横向方向。

微区稳态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜实施例的工作过程：

首先通过移动Z向步进电机7抬起共聚焦光学显微镜3，放置一块盖玻片在高精度XYZ扫描台24上，并用样品夹固定。将SNOM探针17安装在探针固定与三维调整支架13上，确保SNOM探针17在显微物镜21的正下方。通过共聚焦光学显微镜的监视系统白器5、CCD图像采集器4观测SNOM探针17，通过调节探针固定与三维调整支架13，使得SNOM探针17在视窗中成清晰的图像，并且SNOM探针17悬臂上的方孔在光轴位置。此时让连续激光器1输出的激光进入到共聚焦光学显微镜，并聚焦到SNOM探针17的小孔位置。然后粗调Z向步进电机7使得探针逼近盖玻片；在快接近的时候，调整悬臂位置监测系统，通过SNOM的控制程序控制Z向步进电机7自动让探针接近盖玻片直至探针完全和盖玻片接触上。再驱动Z向步进电机7使得SNOM探针17抬起一定距离，驱动换向电机25使得全反镜11可以将光线反射进入CCD图像采集器16。通过驱动三维步进电机10使得显微物镜9聚焦在SNOM探针17的针尖位置，并且针尖在显微物镜9的光轴上。然后在XY方向上调整探针固定与三维调整支架13，使得激光从SNOM探针17的小孔出射，并且亮度最大，表明此时激光已经可以透过SNOM探针17的小孔照射到样品的表面。抬起Z向步进电机7，将待测样品8固定在高精度XYZ扫描台24上，连接好光电检测电路，再通过Z向步进电机7使得SNOM探针17完全和样品8接触上。启动斩波器2，将斩波器2的频率输出与锁相放大器14的参比端相连接，样品8和SNOM探针17分别构成信号的两极与锁相放大器14的信号端相连接，启动锁相放大器14及其数据采集程序。启动SNOM的成像扫描，驱动高精度XYZ扫描台24在XY平面上进行扫描，在每扫描一个点的同时，SNOM控制机箱15会输出一个TTL信号，此TTL信号输入计算机18的串口，在TTL信号的上升沿触发锁相放大器14其数据采集程序的运行，并且在TTL信号的下降沿将锁相放大器14其数据采集程序采集的结果输出到一记录数组，该数组的排列次序与扫描的次序相对应，这样在扫描结束后可以通过绘图与数据处理程序再现表面每一点的光电响应以及表面光电成像。对于光电流检测，SNOM探针采用探针1701(在由硅悬臂与镀有100nm厚铝膜、中空的二氧化硅小孔针尖构成的扫描近场光学显微镜探针的表面蒸镀4～6nm的金膜，此探针前端的小孔直径为50nm)如图3A所示；对于光电压检测，SNOM探针采用探针1702(在探针1701的金膜上再蒸镀有一层3～5nm厚的铝膜，并对铝膜进行氧化处理)，如图3B所示。

实施例2

请参见图2。图2是本发明一个瞬态光电检测具体实施例的结构示意图，与稳态光电检测具体实施例的结构示意图相类似，一种微区瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜系统，包括激光照射系统、具有近场光学与原子力形貌同时成像的扫描近场光学显微镜、外检测电路、扫描近场光学显微镜控制机箱以及计算机控制与数据采集系统，其特征与稳态光电检测具体实施例的不同主要在于激光照射系统、外检测电路、以及部分数据采集系统。

一纳秒脉冲激光器19的激光出口前方安装有激光耦合与光纤系统22，在激光耦合与光纤系统22的后面安装带有CCD图像采集器4、白光光源5、Z向步进电机7、探针位置传感器12、显微物镜21和与悬臂位置监测用红外激光器6相连接的激光耦合与光纤系统23的共聚焦光学显微镜3；且显微物镜21是在共聚焦光学显微镜3的下方；

在共聚焦光学显微镜上的显微物镜21上有一通过固定架固定的探针固定与三维调整支架13；一扫描近场光学显微镜探针17固定在探针固定与三维调整支架13上，且扫描近场光学显微镜探针17在显微物镜21的正下方；

一高精度XYZ扫描台24，在高精度XYZ扫描台24里安装有显微物镜9，且该显微物镜9是安装在扫描近场光学显微镜探针17下方的垂直方向上；一三维步进电机10与该显微物镜9连接；在该显微物镜9下方的光路上安装有全反镜11，全反镜11与一换向电机25连接；在全反镜11下方的光路上安装有光探测器26；

一CCD图像采集器16安装在全反镜11的反射光的光路上；

在高精度XYZ扫描台上有用于固定样品的导电的固定夹；样品8通过导电的固定夹被固定在扫描近场光学显微镜探针17下方的高精度XYZ扫描台24上，且在扫描近场光学显微镜探针17与安装在高精度XYZ扫描台24里的显微物镜9之间的光路上；

一快速门积分与Boxcar平均器20通过导线与纳秒脉冲激光器19连接，高精度XYZ扫描台24上的导电的固定夹、扫描近场光学显微镜探针17、计算机控制与数据采集系统18分别与快速门积分与Boxcar平均器20连接；

所述的CCD图像采集器4、CCD图像采集器16、换向电机25通过导线与计算机控制与数据采集系统18相连；

所述的Z向步进电机7、探针位置传感器12、探针固定与三维调整支架13、高精度XYZ扫描台24以及光探测器26通过导线与扫描近场光学显微镜控制机箱15相连；

所述的扫描近场光学显微镜控制机箱15与计算机控制与数据采集系统18通过导线相连。

激光照射系统为纳秒脉冲激光器19，通过激光耦合与光纤系统22进入共聚焦光学显微镜3，然后从SNOM探针17的小孔出射。

光电检测电路由快速门积分与Boxcar平均器20、样品8、SNOM探针17所构成。SNOM探针17通过探针固定与三维调整支架13上的导电点与BNC线的屏蔽层相连接；样品8通过高精度XYZ扫描台24的样品夹与BNC线的内芯相连接，此BNC线与快速门积分与Boxcar平均器20的信号输入端相连接；纳秒脉冲激光器19的脉冲输出与快速门积分与Boxcar平均器20的参比频率输入端相连接。在针尖和样品间产生的光电信号快速门积分与Boxcar平均器20，然后被计算机18的快速门积分与Boxcar平均器数据采集程序采集。

计算机控制与数据采集系统18包括SNOM的控制与扫描成像程序、快速门积分与Boxcar平均器20的数据采集程序、CCD图像采集器4和CCD图像采集器16的程序，SNOM控制机箱15输出TTL信号输入计算机作为快速门积分与Boxcar平均器20的数据采集程序的触发程序。

微区瞬态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜实施例的工作过程：

其显微镜的调整以及针尖与样品的接近和微区稳态光电检测与扫描成像的近场光学显微镜实施例的工作过程相同，不同在于检测过程采用快速门积分与Boxcar平均器20检测光电信号，得到的光电信号然后被快速门积分与Boxcar平均器20的数据采集程序所采集，程序的触发和输出过程与稳态测量模式相同。对于光电流检测，SNOM探针采用探针1701(在由硅悬臂与镀有100nm厚铝膜、中空的二氧化硅小孔针尖构成的扫描近场光学显微镜探针的表面蒸镀4～6nm的金膜，此探针前端的小孔直径为50nm)，如图3A所示；对于光电压检测，SNOM探针采用探针1702(在探针1701的金膜上再蒸镀有一层3～5nm厚的铝膜，并对铝膜进行氧化处理)，如图3B所示。