[实用新型]一种高精度微悬臂梁热振动信号测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种高精度微悬臂梁热振动信号测量装置，属于光学测量技术领域。

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—热机械振动，是影响原子力显微镜分辨率的一个重要因素，对热机械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。然而传统型原子力显微镜由于其结构设计，使它的背景噪声(电子噪声、散射噪声等)信号远高于热机械振动信号，在这种情况下，大部分频率的热机械振动信号即淹没于设备的背景噪声中，导致目前原子力显微镜技术无法对热机械振动进行有效的测量和研究。另一方面，为提高微悬臂表面对激光的反射率，提高光电二极管的光电转换效率，常需在微悬臂梁表面镀一层金属反射薄膜，然而金属薄膜与微悬臂梁之间的应力导致微悬臂梁具有一定程度的弯曲，导致会聚到微悬臂梁上的激光不能沿原光路返回或呈现一定的偏移，降低了光强转换效率，增加了装置的电子噪声，提高了装置对微悬臂梁热机械振动背景噪声，从而降低装置分辨率。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种高精度微悬臂梁热振动信号测量装置，本案由此产生。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高精度微悬臂梁热振动信号测量装置，采用双方解石光束偏移器，在反射光路中加入平面镜对偏振激光进行反射，解决了应力弯曲的微悬臂梁对偏振激光的散射问题，保证了两束偏振激光在干涉区域的重叠光强，提高了干涉对比度，降低了装置对应力弯曲微悬臂梁背景噪声的测量。

为了实现上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种高精度微悬臂梁热振动信号测量装置，包括光入射组件、第一干涉臂光路检测组件和第二干涉臂光路检测组件，其中，所述光入射组件包括激光器，依次设置在激光器光路传播方向上的起偏器、棱镜、第一玻片、球形分光镜组、第一会聚透镜、双方解石光束偏移器和平面镜，微悬臂梁置于第一会聚透镜的焦平面上，激光器的激光经过起偏器起偏后进入棱镜成为线偏振光，接着经过第一玻片进入球形分光镜组中，经球形分光镜组后，线偏振光改变入射方向，先经第一会聚透镜会聚，然后经双方解石光束偏移器后分光成偏振方向相互垂直的两束偏振光，分别入射到微悬臂梁的尖端和基片上，微悬臂梁受到热噪声的激励产生热机械振动，使入射到其尖端和基片的两束偏振光产生额外相位差，两束偏振光经微悬臂梁反射后依次经过双方解石光束偏移器、第一会聚透镜到达平面镜，经平面镜反射后，沿原光路折回，再次经微悬臂梁反射、双方解石光束偏移器分光、第一会聚透镜会聚呈一束激光，接着经球形分光镜组分为两束偏振光，两束偏振光分别经第一干涉臂光路检测组件、第二干涉臂光路检测组件中的分光镜分光成四束偏振光，四束偏振光分别投射到四个光电二极管中，进行相位差测量。

作为优选，所述第一干涉臂光路检测组件包括依次设置在光路传播方向上的第二玻片、第二会聚透镜、第一分光镜和2个并联的光电二极管。

作为优选，所述第二干涉臂光路检测组件包括依次设置在光路传播方向上的第三会聚透镜、第二分光镜和2个并联的光电二极管。

作为优选，所述第一分光镜和第二分光镜均采用为方解石光束偏移器。

作为优选，所述激光器为He-Ne激光器。

作为优选，所述棱镜为格兰泰勒棱镜。

作为优选，所述球形分光镜组由2个球形分光镜组成。

作为优选，所述平面镜通过转轴活动安装在第一会聚透镜上方，平面镜可根据两束偏振光的入射角度通过转轴调整其倾斜度，保证入射光线按原光路折回到微悬臂梁的尖端和基片。

作为优选，所述双方解石光束偏移器包括2个上下叠放的方解石光束偏移器，2个方解石光束偏移器光轴之间呈45°夹角，单个方解石光束偏移器的厚度为1mm，线偏振光经过双方解石光束偏移器分成两束偏振光，两束偏振光出光角度为2°，两束偏振光水平间距为140um，所述双方解石光束偏移器的光轴较之入射偏振光的偏振方向呈45°。

作为优选，所述线偏振光经双方解石光束偏移器后产生两束偏振光垂直入射到微悬臂梁的尖端和基片上。