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1、(10)申请公布号 CN 104330147 A (43)申请公布日 2015.02.04 CN 104330147 A (21)申请号 201410493468.9 (22)申请日 2014.09.24 G01H 9/00(2006.01) (71)申请人 绍兴文理学院 地址 312000 浙江省绍兴市环城西路 508 号 (72)发明人 李天军 方泽波 (74)专利代理机构 杭州裕阳专利事务所 ( 普通 合伙 ) 33221 代理人 应圣义 (54) 发明名称 微悬臂梁热振动信号测量装置 (57) 摘要 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 。
2、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、 第一分 光镜以及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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1。
3、 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104330147 A CN 104330147 A 1/1 页 2 1. 一种微悬臂梁热振动信号测量装置， 其特征在于， 包括 ： 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。
4、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 ； 两路检测光路组件， 每一所述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。 2. 根据权利要求 1 所述的微悬臂梁热振动信号测量装置， 其特征在于， 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， 且所述第 一会聚透镜的焦距为 25 毫米 35 毫米。 3. 根据权利要求 1 所述的微悬臂梁热振动信号测量装。
5、置， 其特征在于， 所述沃拉斯顿 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。 4. 根据权利要求 1 所述的微悬臂梁热振动信号测量装置， 其特征在于， 所述线偏振器 和第一分光镜间还设置有二分之一波片。 5. 根据权利要求 1 所述的微悬臂梁热振动信号测量装置， 其特征在于， 每一所述检测 光路组件均包括依次设置的第二会聚透镜和第三分光镜， 且每一所述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。 6. 根据权利要求 5 所述的微悬。
6、臂梁热振动信号测量装置， 其特征在于， 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。 7. 根据权利要求 1 所述的微悬臂梁热振动信号测量装置， 其特征在于， 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。 8. 根据权利要求 7 所述的微悬臂梁热振动信号测量装置， 其特征在于， 所述激光发生 器为 。
7、He-Ne 激光器。 9. 根据权利要求 1 所述的微悬臂梁热振动信号测量装置， 其特征在于， 所述线偏振器 为格兰泰勒棱镜。 10. 根据权利要求 1 所述的微悬臂梁热振动信号测量装置， 其特征在于， 所述第一分光 镜和第二分光镜均为立体分光镜， 所述第三分光镜为方解石棱镜。 权 利 要 求 书 CN 104330147 A 2 1/5 页 3 微悬臂梁热振动信号测量装置 技术领域 0001 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 0002 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，。
8、 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。 0003 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。 0004 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。
9、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 0005 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。 0006 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 ；。
10、 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。 0007 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。
11、 度 3 度， 且第一会聚透镜的焦距为 25 毫米 35 毫米。 0008 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。 0009 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。 0010 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 说 明 书 CN 104330147 A 3 2/5 页 4 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。 。
12、0011 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。 0012 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。 0013 于本发明一实施例中， 激光发生器为 He-Ne 激光器。 0014 于本发明一实施例中， 线偏振器为格兰泰勒棱镜。 0015 于本发明一。
13、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。 0016 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。
14、扰， 实现高精度直接测量微悬臂梁的热振动信号。 0017 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 0018 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。 0019 图2所示为采用图1所示的微悬臂梁热振动信号测量装置测得的原子力显微镜微 悬臂梁的热振动功率谱、 背景噪声功率谱以及采用现有的原子力显微镜测量得到的微悬臂 梁背景噪声功率谱的对比图。 具体实施方式 0020 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。 图2所示为采用图1所示的微悬臂梁热振动信号测。
15、量装置测得的原子力显微镜微悬臂梁的 热振动功率谱、 背景噪声功率谱以及采用现有的原子力显微镜测量得到的微悬臂梁背景噪 声功率谱的对比图。请一并参阅图 1 和图 2。 0021 如图 1 所示， 本实施例提供的微悬臂梁热振动信号测量装置包括入射光路组件 100 和两路检测光路组件 200。入射光路组件 100 包括依次沿光传播方向设置的线偏振器 110、 第一分光镜 120、 沃拉斯顿棱镜 130、 第一会聚透镜 140 以及第二分光镜 150。 0022 偏振激光经线偏振器 110 后形成线偏振光并入射至第一分光镜 120。第一分光镜 120改变线偏振光的入射方向。 于本实施例中， 经第一分光。
16、镜120后线偏振光的出射方向与 入射方向垂直。 经沃拉斯顿棱镜130形成两束偏振方向相互垂直的第一入射线偏振光K1和 和第二入射线偏振光 K2， 经第一会聚透镜 140 汇聚后分别垂直入射至微悬梁臂的尖端和基 说 明 书 CN 104330147 A 4 3/5 页 5 片上。分别经反射后形成第一反射线偏振光 K1a 和第二反射线偏振光 K2a 经沃拉斯顿棱镜 130 汇聚在一起并入射至第二分光镜 150， 形成第一检测偏振光 W1 和第二检测偏振光 W2。 0023 第一检测偏振光 W1 和第二检测偏振光 W2 分别入射至包括有光电检测电路 210 的 两路检测光路组件 200 上。光电检测。
17、电路 210 将光信号转换为电信号后， 通过计算两路电 信号来得到第一反射偏振光 K1a 和第二反射偏振光 K2a 的相位差。相位差的计算可采用快 速傅里叶变换的方法在 MATLAB 等仿真软件中计算得到。并根据公式得到微悬臂 梁的热振动振幅， 从而得到其热振动功率谱。其中为第一反射偏振光 K1a 和第二反射偏 振光 K2a 的相位差， 为激光的波长， d 为微悬臂梁热振动的振幅。 0024 在本实施例提供的微悬臂梁热振动信号测量装置中， 第一检测偏振光 W1 和第二 检测偏振光 W2 差分输入可有效地抵消每一路信号内所携带的背景噪声， 从而将背景噪声 降低至一个较低的数量级内， 从而实现高精。
18、度测量微悬臂梁热振动信号的目的。且与传统 的采用四象限光电信号到振动位移信号的转换相比， 本测量方法直接测量表征热振动振幅 的相位差， 无需任何转换， 测量更为直接、 方便， 且具有更高的测量精度。 0025 为更好的、 更便捷的实现相位差的计算， 于本实施例中， 通过调整入射光路组件 100 以及两路检测光路组件 200 的结构来使得两路检测光路组件 200 检测到的光强对比度 为一个模为 2 的单元圆， 而单位圆的极角即为第一反射线偏振光 K1a 和第二反射线偏振 光 K2a 的相位差。 0026 具体的调整如下 ： 0027 每一所述检测光路组件 200 均包括依次设置的第二会聚透镜 2。
19、20 和第三分光镜 230， 且每一光电检测电路210均包括两个光电二极管D。 第一检测偏振光W1和第二检测偏 振光 W2 分别经第二汇聚透镜 220 会聚后经第三分光镜 230 分成两束偏振光， 分别入射到同 一检测光路组件 200 内的两个光电二极管 D 上。且在每一检测光路组件 200 中， 设置第三 分光镜 230 的光轴与沃拉斯顿棱镜 130 的光轴间的夹角呈 45 度， 且沃拉斯顿棱镜 130 的光 轴与入射至沃拉斯顿棱镜 130 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 200 中， 第二检测偏振光 W2 入射至第二会聚透镜 220 前还经过一四分之一。
20、波片 240， 该设置人为的为第二检测偏振光 W2 的相位附加 /2。 0028 如图 1 所示， 包含有偏振方向为方向和方向的入射线偏振光的光强为 经第一分光镜 120 改变入射方向后变为并经沃拉斯顿棱镜 130 后 形成振动方向沿方向的第一入射线偏振光 K1 和振动方向沿 方向的第二入射线偏振光 K2。其中， 第一入射线偏振光 K1 入射到微悬臂梁的尖端上， 而第二入射线偏振光 K2 入射到 微悬臂梁的基片上。微悬臂梁的尖端因热振动使得第一入射线偏振光 K1 的反射光第一反 射线偏振光K1a较第二入射线偏振光K2的反射光第一反射线偏振光K2a产生相位差。 第一 反射线偏振光K1a和第二反射。
21、线偏振光K2a的汇聚在一起后的光强为经第 二分光镜 150 后， 第一检测偏振光 W1 和第一检测偏振光 W2 的光强为 0029 而经第三分光镜 230 后入射到每一光电检测电路 210 上的两个光电二极管 D 的光 强可表示为 An 和 Bn， n 1,2。其中 A1 和 B1 表示的其中一光电检测电路 210 上两个发光 说 明 书 CN 104330147 A 5 4/5 页 6 二极管 D 的光强， 而 A2 和 B2 表示的是另一二光电检测电路 210 上两个发光二极管 D 的光 强。 0030 公式一 0031 公式二 0032 在每一光电检测电路 210 上两个发光二极管 D 。
22、的光强对比度为 ： 0033 公式三 0034 于本实施例中， 1 0。 0035 而与设置有四分之一波片 240 位于相同光电检测组件 200 内的光电检测电路中， 2 -/2， 且 0036 将 1和 2代入公式一和公式二， 得到 C C1+iC2 cos+isin ei， 形成 一个模为 2 的单位圆， 该单位圆的极角即为第一反射线偏振光 K1a 和第二反射线偏振光 K2a 的相位差， 测量更加方便。 0037 由于微悬臂梁的尺寸非常小， 只有约 450 微米， 相应的微悬臂梁的尖端和基片间 的距离也非常小， 为使得第一入射线偏振光 K1 和第二入射线偏振光 K2 能准确的垂直入射 至微。
23、悬臂梁的尖端和基片上， 设置经沃拉斯顿棱镜130后形成的第一入射线偏振光K1和第 二入射线偏振光 K2 间的出光角度为 1 度 3 度。于本实施例中， 经沃拉斯顿棱镜 130 后第 一入射线偏振光 K1 和第二入射线偏振光 K2 间的出光角度为 2 度。且为增加入射至微悬臂 梁的尖端和基片上的光强， 设置第一会聚透镜 140 的焦距为 25 毫米 35 毫米。于本实施 例中， 第一会聚透镜 140 的焦距为 30 毫米。然而， 本发明对此不作任何限定。 0038 此外， 在理想状态下， 未处于工作状态的微悬臂梁处于水平位置， 然而， 为了实现 光的发射， 微悬臂梁的表面为镀上金属膜。在金属膜的。
24、不对称张力作用下微悬臂梁将会产 生微小的曲率偏移， 此时第一入射线偏振光 K1 和第二入射线偏振光 K2 将不再垂直入射到 微悬臂梁的尖端和基片上， 相应的两者的反射光将无法经沃拉斯顿棱镜 130 汇聚在一起并 入射至第二分光镜 150， 对测量精度将会造成一定的影响。 0039 于本实施例中， 设置沃拉斯顿棱镜 130 可活动式设置在第一分光镜 120 和第一会 聚透镜 140 间， 且活动的方向为沿线偏振光入射至沃拉斯顿棱镜 130 所在的方向。沿线偏 振光的入射方向调节沃拉斯顿棱镜 130， 可对第一入射线偏振 光 K1 和第二入射线偏振光 K2 的入射方向进行细微调整， 使得第一入射线。
25、偏振光 K1 和第二入射线偏振光 K2 垂直入射 到微悬臂梁的尖端和基片上。 0040 为更大程度的提高两干涉光路的对比度， 方便相位差的计算， 在本测量装置中应 尽可能的设置第一入射线偏振光K1和第二入射线偏振光K2具有相同光强。 于本实施例中， 设置线偏振器 110 和第一分光镜 120 间还设置有二分之一波片 160。通过该二分之一波片 160 调节入射激光的偏振方向来达到调节第一入射线偏振光 K1 和第二入射线偏振光 K2 的 光强， 使得两者的光照强度最大程度上相等。 0041 于本实施例中， 入射光路组件 100 还包括设置在线偏振器 110 前端的激光发生器 说 明 书 CN 1。
26、04330147 A 6 5/5 页 7 170 和起偏器 180， 激光发生器 170 发出激光， 经起偏器 180 后形成偏振光， 再入射至线偏振 器 110。 0042 于本实施例中， 激光发生器为 He-Ne 激光器， 发出的激光的长度为 630 纳米， 且线 偏振器 110 为格兰泰勒棱镜， 第一分光镜 120 和第二分光镜 150 均为立体分光镜， 第三分光 镜 230 为方解石棱镜。 0043 经由上述技术方案， 入射光路组件 100 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反射偏 振光， 并汇聚在一起经第二。
27、分光镜 150 后形成两束检测偏振光。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。 0044 如图 2 所示， 其中曲线 1 是利用本测量装置测量得到的微悬臂梁的热振动功率 谱， 曲线 2 是采用本测量装置测量得到的微悬臂梁背景噪声功率谱、 曲线 3 是采用型号为 VeecoMut imode 的原子力显微镜测得的微。
28、悬臂梁的背景噪声功率谱、 曲线 4 是采用型号为 Veeco DI-300 的原子力显微镜测得的微悬臂梁的背景 噪声功率谱、 曲线 5 是采用型号为 Asylum 的原子力显微镜测得的微悬臂梁的的背景噪声功率谱。 0045 从图 2 中曲线 1、 3、 4、 5 可以看出， 在较广频率范围内 (1Hz 106Hz) 微悬臂梁的 热振动功率谱振幅远小于其背景噪声的功率值， 即除共振频率附近， 大部分热振动信号淹 没在背景噪声中， 导致难以对热振动信号进行测量和分析。从曲线 2 中可以看到， 在频率为 104Hz时， 本发明获得的微悬臂梁的背景噪声功率可低至10-28m2/Hz， 而此时曲线3、 4、 5的功 率均在 10-26m2/Hz， 两者相差两个数量级。即曲线 2 更低的背景噪声保证了 1Hz 106Hz 范 围内的热振动信号处于可测量的范围之内。 0046 虽然本发明已由较佳实施例揭露如上， 然而并非用以限定本发明， 任何熟知此技 艺者， 在不脱离本发明的精神和范围内， 可作些许的更动与润饰， 因此本发明的保护范围当 视权利要求书所要求保护的范围为准。 说 明 书 CN 104330147 A 7 1/2 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 104330147 A 8 2/2 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 104330147 A 9 。