激光光强分布对原子力显微镜中光学偏转法检测结果的影响

　　1　引　　言

　　自从原子力显微镜(atomic force microscope-AFM)[1]问世以来,已被广泛应用于许多学科领域,仪器本身也得到了很大发展。AFM中超微力检测法中应用最为普遍的恐怕要数光学偏转法[2-3]。此法即是让一激光束打在超微力传感元件悬臂梁(cantilever-CL)的背面,由于悬臂梁在受力情况下将产生弯曲变形,因此反射光束也会因悬臂梁的弯曲而转过一角度,用位置敏感元件PSD检测出此角度,也就检测出了悬臂梁所受的力。此检测原理可以简单地用图1示意。由几何光学的知识可知,当悬臂梁反射面转过一个角度Δα,也即反射点下移Δl≈lΔα时,反射光线在该接收面上移动ΔL=L·2Δα+Δl≈L·2Δα,故检测放大比为

　(1)

　　这是通常所说的光学杠杆放大原理。到目前为止还没有对入射于悬臂梁上光斑大小的因素对测量结果的定量分析,没有光强分布测量结果的定量误差分析。而实际上,光斑是有一定大小的,是有空间光强分布的。当悬臂梁发生弯曲变形时,其反射面变为曲面,各反射点所对应的反射角的大小由曲面的具体形状决定,则反射光束在垂直于主光轴的截面上的空间光强分布将不同于原入射光束的分布。本文将从理论上严格分析空间光强分布对检测结果将会有什么样的影响,并给出计算反射光空间光强分布的计算方法和计算实例,最后提出利用所检测到的空间光强分布的变化进一步提取有关传感元件有效信息的建议。

　　2　空间光强分布对检测结果的影响

　　图2所示为带有直角坐标系的检测原理。O1为激光光源的中心位置,O2为PSD接收面的中心位置。坐标系O-xyz的原点置于悬臂梁的根部,Ox轴为悬臂梁的对称轴,Oz轴垂直于纸面向外,平面xOz与未变形反射面重合。坐标系O2-x2y2z2的原点置于PSD的接收面上,坐标轴O2y2平行于平面xOy,平面y2O2z2与PSD接收面重合且平行于Oz轴,O2z2轴垂直于纸面向外。坐标系O-xyz和O2-x2y2z2均为右手系。在本文中定义的“重心光线”为光束在垂直于主光轴截面上的光强分布的重心位置所对应的那一条光线。为了减小测量误差和扩大测量范围,使光源发出的重心光线在悬臂梁未变形时的反射光线(此反射光线也为反射光束的重心光线)垂直打在PSD的接收面上,且尽可能打在接收面的中心位置。

　　若入射重心光线与Ox轴的夹角为θ2,则PSD接收面与Ox轴的夹角θ3= 90°-θ2。当CL未受力时,CL未弯曲,PSD上接收的反射光强分布的类型与入射光束的光强分布类型相同,只可能有分布宽窄的改变。比如入射光为高斯分布型,则反射光仍为高斯型分布,但分布的宽窄可能不同。计此时反射光束的重心位置在系O2-x2y2z2中的坐标为(0,y2G,z2G)。