扫描近场光学显微镜若干关键技术研究

摘要

扫描近场光学显微镜(Scanning Near-field Optical Microscopy,SNOM)是将扫描探针显微镜技术移植到了光学领域,从而得到超衍射极限分辨率的光学图像。经过几十年的发展,SNOM横向分辨率大大的提高了,已经从最初的几十纳米提高到十几纳米,并且扫描成像的稳定性很高。虽然SNOM的分辨率比STM、AFM低,但其长处在于能获得样品亚波长分辨的光学图像,在多个研究和产业领域都有着广泛的应用。本文从传统SNOM中存在的扫描非线性,扫描速度慢等问题出发,搭建了基于双DSP控制系统和扫描头模块化的SNOM系统,建立了非线性校正的模型及算法,设计并初步实验了一种高速扫描的石英片-光纤探针组件,和设计了一种基于四个压电陶瓷管的新的XYZ扫描台系统。
　　 本文的研究工作主要包括以下几个方面：
　　 l、搭建了以DSP为核心的插板式的SNOM控制系统,为近场光学领域内的研究提供了一个良好的平台。主要模块包括控制扫描和各种信号采集的DSP主控板,探针-样品距离的DSP反馈控制板,用于提供给反馈信号的相位检测控制板等。完成了XY扫描控制算法,和探针-样品距离控制的PID算法。
　　 2、分析了SNOM扫描器产生非线性的原因,建立了SNOM扫描非线性校正模型,完成了用于非线性校正的软件预校正算法,有效的改善了图像的非线性。设计了一种基于实时监测探针位置附加系统,用于非线性校正的扫描头,预先采集不同电压下探针的位置数据,并通过二次多项式拟合算法和神经网络算法对位置-电压数据进行了处理,得到能输出线性位移的电压-位移模型。
　　 3、提出了一种高频石英片-光纤探针结构,可以显著提高SNOM扫描速度。利用二阶机械系统模型分析了音叉探针-样品距离控制的原理,比较得出用相位信号来作为反馈信号比振幅信号有更好的响应速度,分析得出SNOM扫描速度慢的主要因素来源于音叉探针,于是我们设计了一种石英片-光纤探针,并尝试了多种粘针方法,测试了其谐振频率,Q值等各种性能。
　　 4、由于单个压电陶瓷管弯曲量比伸长量大很多,设计了四个压电陶瓷管通过柔性铰链连接样品台的新扫描台结构,可以使样品台满足XYZ各个方向均有较大的动态范围。并用有限元方法对其进行了静态和动态性能的仿真分析。通过对样品台XYZ位移的测量,验证了理论仿真的正确性。

目录

文摘

英文文摘

插图目录

第1章 绪论

1.1 显微镜技术的发展

1.1.1 传统光学显微镜的发展

1.1.2 近场光学显微镜的发展

1.2 近场光学显微镜成像原理

1.2.1 倏逝波——突破衍射极限

1.2.2 宏观近场光学理论

1.2.3 微观近场光学理论

1.3 近场光学显微镜的应用

1.4 论文的工作及内容安排

第2章 扫描近场光学显微镜系统

2.1 传统扫描近场光学显微镜的基本结构和关键技术

2.2 扫描近场光学显微镜的工作方式

2.3 国外商业化SNOM发展

2.4 SNOM系统搭建

2.4.1 光机结构

2.4.2 控制仪器规划

2.4.3 DSP主控制系统

2.4.4 反馈控制系统

2.4.5 上位机控制软件

2.5 探针-样品距离控制系统

2.5.1 音叉光纤探针模块

2.5.2 相位检测模块

2.5.3 反馈控制系统分析

2.6 本章小结

第3章 SNOM扫描器的非线性分析及校正

3.1 压电陶瓷的基本理论

3.1.1 压电效应

3.1.2 压电常数和压电方程

3.1.3 压电陶瓷管扫描器

3.1.4 压电陶瓷管位移-电压特性线性建模

3.2 压电陶瓷管扫描器的非线性分析

3.2.1 压电陶瓷管在电场下位移的微观机理

3.2.2 压电陶瓷管的非线性对扫描图像的影响

3.3 扫描图像的非线性校正

3.3.1 非线性校正方法

3.2.2 软件预校正研究

3.3.3 非线性校正扫描器研究

3.4 本章小结

第4章 高速SNOM控制系统研究

4.1 探针-样品距离控制

4.1.1 探针-样品距离控制方式

4.1.2 音叉探针-样品相互作用

4.1.3 SNOM扫描速度分析

4.2 高频石英片探针设计

4.2.1 高频石英振荡器设计要求

4.2.2 高频石英片外形尺寸计算

4.2.3 石英片建模和实物图

4.3 高频石英片-光纤探针实验

4.4 本章小结

第5章 四压电陶瓷管驱动的扫描台研制

5.1 扫描台结构设计

5.1.1 扫描台结构简介

5.1.2 扫描台运动模式

5.2 扫描台结构的有限元建模

5.2.1 材料参数选择

5.2.2 网格划分

5.2.3 计算结果

5.3 扫描台位移测量

5.4 本章小结

第6章 展望与总结

6.1 本文内容总结

6.2 本文创新之处

6.3 后续工作展望

附录一

附录二

参考文献

在读期间取得科研成果

致谢