[发明专利]微悬臂梁热振动信号测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量领域，且特别涉及一种微悬臂梁热振动信号测量装置。 

背景技术

原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)是一种研究材料表面结构的高精密分析仪器，广泛应用于材料、化学、生物科技、纳米技术等领域，通过检测待测样品与微力敏元件之间极其微小的原子间作用力来研究物质表面结构和性质。它的主要结构之一为微悬臂梁，微悬臂梁针尖与样品的相互作用使得微悬臂梁发生形变，使原子力显微镜可以对极小的作用力进行测量。 

热噪声带来的微悬臂梁的振动—热振动，是影响原子力显微镜分辨率的一个重要因素，对热振动的测量和研究将有助于了解其振动规律，对提高原子力显微镜的分辨率，设计下一代新型高分辨原子力显微镜具有指导意义。 

在现有的原子力显微镜(如Veeco、Asylum)中，采用一束激光通过一定的角度聚焦在微悬臂梁尖端对其形变进行测量，并经过四象限光电探测器得到振动位移信号。在该技术中，设备的背景噪声(电子噪声、散射噪声等)远大于其热噪声。在这种情况下，大部分频率的热振动信号淹没于原子力显微镜的背景噪声中，很难在如此高的背景噪声中对热振动信号进行有效的测量和研究。 

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种微悬臂梁热振动信号测量装置。 

为了实现上述目的，本发明提供一种微悬臂梁热振动信号测量装置，包括入射光路组件和两路检测光路组件。入射光路组件包括依次沿光传播方向设置的线偏振器、第一分光镜、沃拉斯顿棱镜、第一会聚透镜以及第二分光镜；偏振激光经线偏振器后形成线偏振光并入射至第一分光镜，改变入射方向后经沃拉斯顿棱镜形成两束偏振方向相互垂直的入射线偏振光，经第一会聚透镜汇聚后分别垂直入射至微悬梁臂的尖端和基片上，分别反射后形成两束偏振方向相 互垂直的反射偏振光，并经沃拉斯顿棱镜汇聚在一起并入射至第二分光镜，形成两束检测偏振光。每一检测光路组件均包括光电检测电路，两束检测偏振光分别入射至两路光电检测电路，光电检测电路将光信号转换为电信号后，通过计算两路电信号来得到两束反射线偏振光的相位差。 

于本发明一实施例中，经沃拉斯顿棱镜后形成的两束偏振方向相互垂直的入射线偏振光间的出光角度为1度～3度，且第一会聚透镜的焦距为25毫米～35毫米。 

于本发明一实施例中，沃拉斯顿棱镜可活动式设置在第一分光镜和第一会聚透镜间，且活动的方向为沿线偏振光入射至沃拉斯顿棱镜所在的方向。 

于本发明一实施例中，线偏振器和第一分光镜间还设置有二分之一波片。 

于本发明一实施例中，每一检测光路组件均包括依次设置的第二会聚透镜和第三分光镜，且每一光电检测电路均包括两个光电二极管，检测偏振光经第二汇聚透镜会聚后经第三分光器分成两束偏振光，分别入射到同一检测光路组件内的两个光电二极管上。 

于本发明一实施例中，在每一检测光路组件中，第三分光镜的光轴与沃拉斯顿棱镜的光轴间的夹角呈45度，且沃拉斯顿棱镜的光轴与入射至沃拉斯顿棱镜上的线偏振光的偏振方向间的夹角呈45度，且在其中一检测光路组件中，检测偏振光入射至第二会聚透镜前还经过一四分之一波片。 

于本发明一实施例中，入射光路组件还包括设置在线偏振器前端的激光发生器和起偏器，激光发生器发出激光，经起偏器起偏后形成偏振光，再入射至线偏振器。 

于本发明一实施例中，激光发生器为He-Ne激光器。 

于本发明一实施例中，线偏振器为格兰泰勒棱镜。 

于本发明一实施例中，第一分光镜和第二分光镜均为立体分光镜，第三分光镜为方解石棱镜。 

经由上述技术方案，入射光路组件形成的两束偏振方向相互垂直的入射线偏振光垂直入射至微悬梁臂的尖端和基片上，经反射后形成两束偏振方向相互垂直的且具有相位差的反射线偏振光，并汇聚在一起经第二分光镜后形成两束检测偏振光。本发明采用激光正交相位差分干涉的方法将微悬臂梁因热噪声而产生的热振动振幅转换为两束相互干涉的反射线偏振光的相位差的方式来实现测量。且两束检测偏振光以差分输入的方式输入至光电检测电路转换为电信号。差分输入可将两束反射线偏振光内由于背景噪声所产生的信号相互抵消，降低背景噪声的干扰，实现高精度直接测量微悬臂梁的热振动信号。 

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。 

附图说明

图1所示为本发明一实施例提供的微悬臂梁热振动信号测量装置的结构示意图。