CN111257600B - 一种基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于AFM可自动调节光斑大小的方法及其激光辅助平台，主要应用于原子力显微镜的光电流的检测，其中主要包括激光器、光束准直器、光束扩束器、光束整形器、光束输出器、Y手动位移台、XZB位移模组、样品台。所述的激光器发出的激光，经过光束准直器、光束扩束器、光束整形器、光束输出器之后将会汇聚成一个焦点，焦点光斑将打在样品的表面，激发样品产生光电流反应，光斑大小可由算法自动调节，并附与手动微调位移台，实现光斑大小和位置的精准控制。

Description

一种基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台

技术领域

本发明涉及光电流检测领域，尤其涉及一种基于AFM可自动调节光斑大小的方法及其激光辅助平台。

背景技术

理论研究表明，一些金属材料在一定的光照条件下，当入射光的频率大于金属的极限频率，金属会发射出电子，产生微小的电流反应。相比于其他的检测技术，原子力显微镜能够同时将样品表面的特征和形貌表示出来，并且达到纳米级别，而且原子力显微镜的的导电模块也可以检测上述的电流反应。因此在表征这种微小的电流反应，原子力显微镜具有独特的优势。导电模块是通过导电的扫描探针针尖，采用接触式测量方法，在获取样品表面形貌信息的同时，可以获得与形貌对应的局域电导信息，使用电流测量装置结合电流放大器来测量表面电流密度。

现有技术中，公开号为CN106546771A中国发明专利公开了一种利用导电原子力显微镜检测光电转换材料光电流信号的方法。采用锁相放大器，锁相放大器提供交变的驱动电压用以驱动光源发光照射材料样品，由于光电转换效应样品产生光电流，导电探针接触样品探测该光电流信号并将其传输至电流放大器得到电流放大信号。公开号为CN109116054A的中国发明专利公开了一种用于原子力显微镜液下测量的激光调节方法，它利用液体的毛细力在液面和夹持器之间形成的液桥，使反射光在探针和夹持器间传播的介质仅为液体，反射光路稳定，大大缩短了激光调节的时间。

然而，虽然上述方案在一定程度上可以提供一种光电流反应的检测方法，但是对于照射在样品表面的光斑大小无法调节，对于比较小的样品，或者对样品小范围区域，无法调小光斑。而且激光通过光纤发射出来的光方向是杂乱的，经过光束的准直之后，才会变成高斯光束，产生光电流的大小和也和入射光的强度有关。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于AFM可自动调节光斑大小的方法及其激光辅助平台，在激光调节过程可以精确改变照射在样品表面光斑的大小。

一种基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台，包括激光器、光束准直器、光束扩束器、光束整形器、光束输出器、XZB位移模组、Y手动位移台、样品台。

所述的组件通过笼式结构，激光器发出的激光分别经过所述光束准直器、光束扩束器、光束整形器、光束输出器之后将会汇聚成一个焦点，光斑大小可由算法自动调节，光斑的位置可由Y手动位移台调节。

所述的光束准直器，通过光学三维调整架将光学准直器通过转换原件固定在光学三维调整架上；

所述的于Y手动位移台固定于最底下，用调节光斑在Y方向的位置；

所述的光束输出组件，可以微调双面凸透镜的位置；

所述的XZB位移模组，由高精度的B轴旋转轴、Z轴水平上升轴和X轴水平位移轴组成，上述的笼式结构固定在Y手动位移台上。

作为上述方案的改进，所述的组件通过笼式结构，激光器发出的激光分别经过所述光束准直器、光束扩束器、光束整形器、光束输出器之后将会汇聚成一个焦点，焦点光斑打在样品表面。作为上述方案的改进，所述的装置是在可调平的平面上运动。

作为上述方案的改进，光斑大小可由算法自动调节，即通过控制X、Z的移动和B轴的转动，实现光斑大小的调节。

作为上述方案的改进，把调好焦点光斑大概对准中心后，通过Y微调可以使光斑打在样品中心。

作为上述方案的改进，通过光学三维调整架将光学准直器通过转换原件固定在光学三维调整架上。用于调节准直器出来的激光的同轴度；

作为上述方案的改进，可以微调双凸透镜的位置。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于AFM可自动调节光斑大小的方法及其激光辅助平台，主要用于检测材料的光电流反应，所述的组件通过笼式结构，激光器发出的激光分别经过所述光束准直器、光束扩束器、光束整形器、光束输出器之后将会汇聚成一个焦点，焦点光斑打在样品表面，通过算法和Y手动位移台，可以实现光斑大小和位置的精准控制。

附图说明

图1为本发明一种基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台的俯视结构示意图；

图2为本发明一种基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台的侧视结构示意图；

图3为本发明的算法实现原理图；

图中标号：1、光学三维调整架；2、光束准直器；3、光束扩束器；4、光束整形器；5、光束输出器；6、Z轴位移模组；7、X轴位移模组；8、B轴位移模组；9、样品台；10、原子力显微镜；11、Y手动位移台；12、光束。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，一种基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台，包括准直器2、三位精密镜架1，光束扩束器3、光束整形器4、光束输出器5、Z轴位移模组6、X轴位移模组7、B轴位移模组8、样品台9、原子力显微镜10、Y手动位移台11，光束准直器2上通过光纤连接有激光器，接口形式是FC/PC接口，Z轴位移模组6、X轴位移模组7和B轴位移模组8统称为XZB位移模组。

具体实施方式为，原子力显微镜10的载物台移动至盘面中心与探针大致对齐位置，将装置放置于原子力显微镜10的大理石台面上，连接外部激光器于装置的FC/PC接口，为保证输出光束的质量，即光斑亮度分布均匀一致，需对装置进行初始调整，通过光学三维调整架1调整光束准直器2与光束扩束器3的相对角度，使光束12经光束准直器2平行入射光束扩束器3，则光斑明暗区域对中；调整光束整形器4通光孔径大小，去除光束12偏暗区域，保留明亮区域，即能量相对分布集中部分；如需进一步减小光束12直径，可继续缩减光束整形器4口径，将光束输出器5通过螺纹连接至装置前端轴向位移调节器上，则可于镜头前端100mm处形成汇聚光斑，原子力显微镜10的探针与样品之间高度为1毫米左右，将圆形样品台9放置于原子力显微镜10的载物位移台正中央，手动调整Y手动位移台11的Y方向，使光线大致在圆形样品台9的中心线上；确定位置之后，既可通过自动调节光斑大小的功能，让其自动调整，完成后，可调整Y手动位移台11的Y方向，可控制光斑在样品台内的位置，如对于所产生的光斑有所偏差，可根据调整后的轴的坐标进行细微调整，即通过减小XZB三个轴的移动速度和旋转速度，由已调好的坐标，手动对其进行补偿。

该自动调节光斑的大小的方法为，如图3所示，图中主要位置为光束12和位样品台9；

其中光束12的尖点到光束的射出位置的距离X0、光束12的扩散起点到光束12的射出位置的距离G、光束12的尖点到样品台9的高度H0、样品台9中心到光束12尖点的距离G0、光束12在扩散起点处的大小d、光束12的尖点到旋转轴B底部的距离H1可由上述激光辅助装置的结构所确定，光斑的大小R和光束的倾斜角度α由我们的要求来确定。根据已知的条件，此时B轴需要旋转α°，运动位置由I变到II，要想II变到III，则需要确定位移轴Z向上移动的距离Z和X轴移动的距离X，由图可以求出：

即可算得输入光斑大小和光束与样品台的夹角后的位移轴Z、位移轴X的移动距离和旋转轴B的旋转角度，实现光斑大小的自动定位调节。

所述的位置I是辅助装置初始时的位置，位置II为过渡时的位置，位置III是辅助装置最终所处的位置。

综上所述，实施本发明具有如下有益效果：

1、通过XZB自动调节算法及其装置，可以实现光斑大小自动调节，该位置控制算法及实现装置可以大幅度降低全手动调整光斑大小所需要的时间，并提高光斑的尺寸精度控制；

2、通过调整光学三维调整架1，可以实现光束准直器2所产生的光与光束扩束器3同轴，减小因所射出的光路与本身结构的中心线不一致所产生的误差；

3、通过微调XZB三个位移轴，可进行光斑大小的微调矫正，并可以对微调位置进行记忆，形成误差矫正分析，减少由于搬动、平台抖动、机械松动等原因造成光斑失准现象(理论光斑与实际光斑大小不一致)。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台，其特征在于，包括激光器、光束准直器、光束扩束器、光束整形器、光束输出器、Y手动位移台、XZB位移模组、样品台，XZB位移模组包括高精度的B轴旋转轴、Z轴水平上升轴和X轴水平位移轴，所述高精度的B轴旋转轴、Z轴水平上升轴和X轴水平位移轴通过笼式结构组合在一起，上述笼式结构固定在Y手动位移台上；

所述激光器发出的激光分别经过所述光束准直器、光束扩束器、光束整形器、光束输出器之后将会汇聚成一个焦点打在样品表面，其光斑的大小可由算法自动调节，并通过微调Y手动位移台，可实现光斑大小和位置的精准控制；

所述的光束准直器，通过转换原件固定在光学三维调整架上；

所述的Y手动位移台固定于最底下，用于调节光斑在Y方向的位置；

所述的光束输出器可微调双面凸透镜的位置。

2.如权利要求1所述的基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台，其特征在于，可通过对所述XZB位移模组的位置微调，实现对光斑的大小进行微调。

3.如权利要求1所述的基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台，其特征在于，将光束准直器通过转换原件固定在光学三维调整架上，可调节准直器和扩束器出来的激光的同轴度。

4.如权利要求1所述的基于原子力显微镜的模块式激光辅助平台，其特征在于，所述样品台上放置有样品，所述样品需要导电，所述样品需要接地。

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