專利名稱:一種用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于掃描隧道顯微鏡領(lǐng)域，尤其涉及一種用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置。
背景技術(shù)：
1982年，Binnig與Rohrer等人將量子力學(xué)中的隧穿效應(yīng)與當(dāng)時(shí)先進(jìn)的壓電陶瓷和微電子技術(shù)相結(jié)合，發(fā)明了掃描隧道顯微鏡，使人類得以實(shí)現(xiàn)原子分辨的空間成像。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人類通過(guò)掃描隧道顯微鏡還實(shí)現(xiàn)了原子操控，并利用非彈性電子隧穿譜在一定意義上實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)化學(xué)鍵的分辨。可以說(shuō)，掃描隧道顯微鏡使人類真正擁有了認(rèn)識(shí)和操控微觀世界的能力。通過(guò)新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)明，這種能力正在持續(xù)提高。
隧穿結(jié)中的光耦合效應(yīng)是掃描隧道顯微鏡研究的重要發(fā)展方向。早在1988年，Gimzewski等人便通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到了由隧穿電流局域激發(fā)所造成的隧穿結(jié)發(fā)光。得益于掃描隧道顯微鏡超高的空間分辨能力，高度局域化的隧穿電流使激發(fā)區(qū)域僅僅局限在針尖與表面原子或分子所構(gòu)成的隧穿結(jié)，其尺度遠(yuǎn)小于光學(xué)測(cè)量極限，這讓我們擁有了研究電致單分子發(fā)光的可能。但是由隧穿電流誘導(dǎo)的發(fā)光信號(hào)極其微弱，應(yīng)此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)隧穿結(jié)中電致單分子發(fā)光的研究，我們必須首先構(gòu)建一個(gè)高效率的用于掃描隧道顯微鏡的光收集系統(tǒng)。
常見(jiàn)的光子收集可以包括透鏡收集、光纖收集和反射鏡收集。其中，最為常見(jiàn)的是透鏡收集，其原理是利用一個(gè)透鏡將隧穿結(jié)發(fā)光轉(zhuǎn)換為平行光，再用另一個(gè)透鏡將光聚焦在收集裝置上，這種收集系統(tǒng)雖然構(gòu)造起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但仍然只能覆蓋很小一部分空間角，收光效率難以讓人滿意。Ushioda和Aono等人則采用了光纖收集，前者采用的是單光纖收集的方法，但是由于光纖數(shù)值孔徑的限制，光纖必須盡可能的接近隧穿結(jié)才能覆蓋足夠的空間角，同時(shí)也需要光纖具有很高的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)程度。Aono則通過(guò)增加光纖數(shù)目的方法提高收集效率，但顯然大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和光纖的對(duì)準(zhǔn)難度。
Berndt等人提出了反射橢球鏡收集，即將發(fā)光分子置于橢球面的一個(gè)焦點(diǎn)，利用橢球面對(duì)光的反射特性，在另一焦點(diǎn)處對(duì)光進(jìn)行收集。近期Mora-SeiO等人也提出了一種反射拋物面鏡收集系統(tǒng)，即將發(fā)光分子置于拋物面的焦點(diǎn)位置，利用拋物面的反射將出射光轉(zhuǎn)化為平行光，再利用其他光學(xué)方法對(duì)光線進(jìn)行束腰和分析。然而，雖然上述橢球面或拋物面的反射鏡光收集系統(tǒng)能夠覆蓋較大的空間角，但它們對(duì)顯微鏡掃描探針針尖的位置要求極其嚴(yán)格，都要保證針尖隧道結(jié)在透鏡的焦點(diǎn)處，另外，在針尖附近的狹小空間也限制了反射鏡系統(tǒng)的體積，增加了加工難度。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中光學(xué)對(duì)準(zhǔn)程度高、加工困難的缺陷，提供一種改進(jìn)的用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:[0008]根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置，包括顯微鏡探針、反射鏡、成像系統(tǒng)和光接收傳導(dǎo)裝置，其中，
所述反射鏡為半頂角為45度的圓錐面反射鏡；
所述顯微鏡探針設(shè)置在所述圓錐面反射鏡的中軸線上；
所述成像系統(tǒng)被設(shè)置為其物面位于經(jīng)所述圓錐面反射鏡所形成的虛像所在的平面內(nèi)，所述成像系統(tǒng)的像面位于所述光接收傳導(dǎo)裝置的一端。
在上述光收集裝置中，所述成像系統(tǒng)包括多個(gè)透鏡的組合。
在上述光收集裝置中，所述成像系統(tǒng)包括以上下疊放方式布置的兩個(gè)相同的雙面凸透鏡，所述雙面凸透鏡的焦距等于圓錐面反射鏡頂點(diǎn)到上透鏡中心的距離。
在上述光收集裝置中，還包括反射鏡底座和透鏡底座，其中所述圓錐面反射鏡放置于所述反射鏡底座上，所述兩個(gè)雙面凸透鏡設(shè)置在所述透鏡底座與所述反射鏡底座之間。
在上述光收集裝置中，所述反射鏡底座的上表面設(shè)置有環(huán)形槽，用于與所述圓錐面反射鏡的底部相配合。
在上述光收集裝置中，還包括用于固定所述兩個(gè)雙面凸透鏡的透鏡支柱，該透鏡支柱的上端與所述反射鏡底座連接，下端與所述透鏡底座連接。優(yōu)選地，所述連接為可拆的。
在上述光收集裝置中，還包括光學(xué)測(cè)量裝置，該光學(xué)測(cè)量裝置與所述光接收傳導(dǎo)裝置的另一端相連接。
在上述光收集裝置中，所述光接收傳導(dǎo)裝置為光纖傳光導(dǎo)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1.加工難度大大降低，同時(shí)保持了光纖收集所具有的高靈活性的優(yōu)勢(shì)；
2.降低了光學(xué)對(duì)準(zhǔn)難度，對(duì)于圓錐面，只需保證隧穿結(jié)在圓錐面反射鏡軸線上即可。


以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明，其中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置的拆解示意圖；
圖3是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置的光路示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1和圖2分別是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置的結(jié)構(gòu)圖及分解示意圖。該裝置包括圓錐面反射鏡1、掃描隧道顯微鏡探針2，反射鏡底座
3、兩個(gè)兩面雙凸透鏡4和5、三根透鏡支柱6、7、8 (圖1中透鏡支柱8被擋住，因此其未被示出)、透鏡底座9、光纖傳光束10。其中，圓錐面反射鏡I半頂角為45度，掃描隧道顯微鏡探針2 (見(jiàn)圖2)位于圓錐面反射鏡I的中軸線上，以使所有位于圓錐面反射鏡中軸線上的點(diǎn)通過(guò)圓錐面反射鏡I所成的像均位于過(guò)圓錐面頂點(diǎn)并垂直于圓錐面軸線的平面上。優(yōu)選地，圓錐面反射鏡I的內(nèi)表面鍍有例如SiO2薄膜的高反射率光學(xué)薄膜，以增強(qiáng)反射效率。優(yōu)選地，該反射鏡還設(shè)置有多個(gè)用于布線的開(kāi)口 11。圓錐面反射鏡I放置于反射鏡底座3上，優(yōu)選地，掃描隧道探針2被固定在底座3的中心，從而進(jìn)一步保證圓錐面反射鏡I的軸線與掃描隧道顯微鏡探針重合。所述反射鏡底座3優(yōu)選地在其上表面設(shè)置有環(huán)形槽15，其形狀及大小與圓錐面反射鏡底部的尺寸一致，使圓錐面反射鏡的底部與反射鏡底座結(jié)合更穩(wěn)固。雙凸透鏡4和5疊放于透鏡底座9與反射鏡底座3之間，并通過(guò)三根透鏡支柱6、7、8固定，雙凸透鏡4和5的焦距均等于圓錐面反射鏡頂點(diǎn)到雙凸透鏡4中心的距離，以使通過(guò)雙凸透鏡4將光線轉(zhuǎn)化為平行光，再通過(guò)雙凸透鏡5將該平行光會(huì)聚在其焦點(diǎn)處。三根透鏡支柱的上端通過(guò)螺紋與反射鏡底座3連接，下端通過(guò)螺母與透鏡底座9連接，雖然本發(fā)明采用的是螺紋連接，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，其它任何合適的可拆連接方式都是可行的。光纖傳光束10的一端位于雙凸透鏡5的焦點(diǎn)處，另一端連接光學(xué)測(cè)量裝置，用于將所接收到的像傳送到光學(xué)測(cè)量裝置中，應(yīng)該理解，在本發(fā)明中光纖傳光束僅為示例性的，其還可以使用其他光接收傳導(dǎo)裝置所代替。
圖3是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置的光路示意圖。從圖中可以看出，該裝置的工作原理如下:
如圖3所示，針尖隧道結(jié)(即掃描探針與樣品發(fā)生隧穿的位置，也就是針尖與樣品間的空間)所發(fā)出的光，通過(guò)圓錐面反射鏡I的反射，在過(guò)圓錐面頂點(diǎn)并垂直于圓錐面軸線的平面FP內(nèi)成一環(huán)狀虛像14，環(huán)的半徑等于圓錐面頂點(diǎn)到發(fā)光分子的距離(由于樣品擋住了圓錐面反射鏡I的頂點(diǎn)12，因此在圖中未畫(huà)出表示頂點(diǎn)的線條)。因?yàn)殡p凸透鏡的焦距為圓錐面頂點(diǎn)12到雙凸透鏡4中心的距離，所以平面FP為雙凸透鏡4的焦平面，因此，無(wú)論發(fā)光分子位于圓錐面中軸線上的任何位置，其通過(guò)圓錐面反射鏡I所成的環(huán)狀虛像都將位于雙凸透鏡4的焦平面FP內(nèi)，從而減低了該裝置的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)難度；雙凸透鏡4將由反射鏡反射回來(lái)的光線轉(zhuǎn)化為平行光束，由于雙凸透鏡5的焦距與雙凸透鏡相同，因此光線通過(guò)雙凸透鏡5之后將匯聚于雙凸透鏡5的焦平面FP’處，即在焦平面FP’內(nèi)成一環(huán)狀的像13 ;將光纖傳像束10的一端放置于雙凸透鏡5的焦平面FP’處，通過(guò)光纖傳像束將上述環(huán)狀的像13傳遞到光學(xué)測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)光收集。
出于加工成本考慮，本發(fā)明上述優(yōu)選實(shí)施例使用的是兩個(gè)相同的雙面凸透鏡，但對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，只要滿足以下成像條件的成像系統(tǒng)均可以用:該成像系統(tǒng)的物面與經(jīng)所述圓錐面反射鏡所形成的虛像所在的平面FP重合，該組合透鏡的像面與光纖傳光束的一端重合。
采用本發(fā)明的光收集裝置大大降低了光學(xué)對(duì)準(zhǔn)難度，只需保證探針針尖在軸線上即可，而不需保證在某點(diǎn)上。另外，由于圓錐面是可展曲面，比橢球面、拋物面加工難度要低很多；由于用光纖將光導(dǎo)出，可以把光引導(dǎo)到腔體外任意位置，本發(fā)明裝置還具有較高的靈活性。此外，利用所成的像為環(huán)狀像，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)沿角向分布可以得到光的空間分布情況，從而對(duì)隧穿結(jié)發(fā)光的各向異性特征進(jìn)行探測(cè)。
盡管參照上述的實(shí)施例已對(duì)本發(fā)明作出具體描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，應(yīng)該理解可以在不脫離本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)基于本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容進(jìn)行修 改或改進(jìn)，這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神以及范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置，包括從上到下依次設(shè)置的反射鏡、顯微鏡探針、成像系統(tǒng)和光接收傳導(dǎo)裝置，其中， 所述反射鏡為半頂角為45度的圓錐面反射鏡； 所述顯微鏡探針設(shè)置在所述圓錐面反射鏡的中軸線上； 所述成像系統(tǒng)被設(shè)置為其物面位于經(jīng)所述圓錐面反射鏡所形成的虛像所在的平面內(nèi)，所述成像系統(tǒng)的像面位于所述光接收傳導(dǎo)裝置的一端。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述光收集裝置，其特征在于，所述成像系統(tǒng)包括多個(gè)透鏡的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述光收集裝置，其特征在于，所述成像系統(tǒng)包括以上下疊放方式布置的兩個(gè)相同的雙面凸透鏡，所述雙面凸透鏡的焦距等于圓錐面反射鏡頂點(diǎn)到上面的雙面凸透鏡中心的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述光收集裝置，還包括反射鏡底座和透鏡底座，其中所述圓錐面反射鏡放置于所述反射鏡底座上，所述兩個(gè)雙面凸透鏡設(shè)置在所述透鏡底座與所述反射鏡底座之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述光收集裝置，其特征在于，所述反射鏡底座的上表面設(shè)置有環(huán)形槽，用于與所述圓錐面反射鏡的底部相配合。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4所述光收集裝置，還包括用于固定所述兩個(gè)雙面凸透鏡的透鏡支柱，該透鏡支柱的上端與所述反射鏡底座連接，下端與所述透鏡底座連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述光收集裝置，其特征在于，所述連接為可拆的。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述光收集裝置，還包括光學(xué)測(cè)量裝置，該光學(xué)測(cè)量裝置與所述光接收傳導(dǎo)裝置的另一端相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1至8中任一項(xiàng)所述光收集裝置，其特征在于，所述光接收傳導(dǎo)裝置為光纖傳光導(dǎo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1至8中任一項(xiàng)所述光收集裝置，其特征在于，所述圓錐面反射鏡的內(nèi)表面鍍有光學(xué)反射薄膜。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于掃描隧道顯微鏡的光收集裝置，包括顯微鏡探針、反射鏡、成像系統(tǒng)和光接收傳導(dǎo)裝置，其中，所述反射鏡為半頂角為45度的圓錐面反射鏡；所述顯微鏡探針設(shè)置在所述圓錐面反射鏡的中軸線上；所述成像系統(tǒng)被設(shè)置為其物面位于經(jīng)所述圓錐面反射鏡所形成的虛像所在的平面內(nèi)，所述成像系統(tǒng)的像面位于所述光接收傳導(dǎo)裝置的一端。采用本發(fā)明的光收集裝置可以降低光學(xué)對(duì)準(zhǔn)難度及加工難度。
文檔編號(hào)G01Q60/10GKCN101819218SQ201010160542
公開(kāi)日2013年10月2日 申請(qǐng)日期2010年4月26日
發(fā)明者陸興華, 李紹巍, 顏世超, 郭曉東, 謝楠, 江穎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3), 非專利引用 (2),