[发明专利]一种低温扫描近场光学显微镜

说明书

技术领域

本发明属于近场光学仪器制造领域，具体涉及到一种低温扫描近场光学显微镜系统的整体设计。

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。

传统SNOM一般都是工作在大气环境下，其电子线路布线、光路的搭建以及减振设计都是开放的空间中进行的。而低温SNOM需要在真空腔室内扫描，并且要考虑样品的降温问题，因此传统SNOM的设计无法应用在低温SNOM的工作环境中。虽然其他扫描探针显微镜，如扫描隧道显微镜，有一些工作在低温真空环境的设计方案，但由于其并不涉及到光路的搭建，所以很难应用到低温SNOM上。世界上少数的一些课题组研发的低温SNOM由于其设计复杂，加工难度大，系统难于维护，目前并没有形成一种成熟的低温SNOM系统设计方案。

发明内容

基于上述情况，本发明的目的是提供一种低温NSOM。

本发明的具体技术方案如下：

低温NSOM设有真空腔室，该显微镜设有真空腔室，该真空腔室分为上下两部分，上部为扫描室，下部为低温杜瓦室，扫描室内设有扫描头，扫描头的光路包括照明光纤、针尖光纤和扫描控制电子线路，照明光纤与真空腔室外部的激光器连接，针尖光纤与外部的光谱仪和光电倍增管连接，光谱仪和光电倍增管与扫描控制器连接，扫描控制电子线路与扫描控制器连接。

低温杜瓦为双层结构，外层是液氮腔，内层是液氦腔，低温杜瓦的顶部设有一导热铜盘，该铜盘连接一铜棒，其一直延伸到液氦杜瓦的底部。

扫描室的顶部法兰上开设了扫描电子线路和光路进出真空腔的接口，整个扫描头悬挂在处于顶端法兰中心升降杆下端的弯钩处。

本发明所具有的优点是：

低温扫描近场光学显微镜设有真空腔室，该真空腔室内的扫描室与低温杜瓦室独立，便于在扫描室外壁开设观察窗，避免了在低温杜瓦上开冷窗的难题。且整个光学系统进出真空腔室只有2根光纤，光路简化，便于调试。是一款高效的低温SNOM系统。

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-顶部法兰；2-扫描室；3-低温杜瓦室；4-低温杜瓦；5-导热铜盘；6-扫描头；7-扫描控制器；8-光谱仪/光电倍增管；9-氦氖激光器；10-升降杆。

具体实施方式

如附图所示，低温扫描近场光学显微镜的真空腔室分为上下两部分，上部为扫描室2，下部为低温杜瓦室3。低温杜瓦4为双层结构，外层是液氮腔，内层是液氦腔，液氦腔的顶部为一直径为80mm的导热铜盘5，该导热铜盘连接一直径为20mm，长为70mm的铜棒，该铜棒一直延伸到液氦杜瓦的底部。整个扫描头6悬挂在处于顶端法兰1中心的升降杆10下端的弯钩处，直径为150mm的顶部法兰1上开设了扫描电子线路和光路进出真空腔的接口。

该低温SNOM的工作过程：

由于扫描控制电子线路以及光纤可以作为整体从顶部法兰口1取出，因此可以在真空腔室外先进行预扫描，以及针尖的更换。调试完毕后，将扫描头悬挂于升降杆9下端的弯钩处，经过抽真空，以及在低温杜瓦注入液氮/液氦后，通过在真空腔室外操作升降杆可以将扫描头6放置于导热铜盘5上对样品台进行降温。扫描头6内设有减振装置，可消除系统的振动影响。扫描头的光路包括照明光纤、针尖光纤和扫描控制电子线路，扫描控制电子线路外接到扫描控制器7上，该低温SNOM采用远场激发，近场收集模式。整个光路进出真空腔室只有两根光纤，波长为442nm的氦氖激光器9作为照明光源通过照明光纤进入扫描头6，近场光学信号由针尖光纤采集后通过光纤接入到光谱仪/光电倍增管8，最后再进入扫描控制器7上实现形貌像与光学信号的同步。