剪切力模式近场扫描光学显微镜的恒幅反馈控制方法研究

　　0　引言

　　近场扫描光学显微镜(NSOM)利用一个孔径小于光波长的探针作为光源或探测器,在距样品表面小于一个波长距离的近场内以光栅扫描的方式进行成像,其分辨率主要取决于探针的孔径以及探针与样品表面的间距,而不受衍射极限的限制[1].至今已在高分辨率光学成像、局域光谱、高密度信息存储、生命科学研究及单分子探测等领域得到了广泛的应用,同时作为表面加工的工具在纳米尺度上对材料表面进行刻蚀和修饰,实现纳米加工.

　　NSOM中的关键技术,集中在探针制作和探针样品间距离控制两方面.因为音叉有极高的力的灵敏度,被广泛应用于制作音叉探针,作为探测探针和样品间距离的传感器.其自身的高Q值(100~1 000)决定了反馈系统具有很高的灵敏度,但高Q值同时也限制了系统瞬时响应速度[2].而且,如果在真空的环境中使用NSOM,其Q值增加倍数在10倍以上;由于音叉响应速度的影响,NSOM极低的扫描速度将会限制很多的应用.本文采用反馈控制和检测剪切力,同时利用PI技术,实现了探针的横幅反馈控制,并对无振幅反馈和有振幅反馈情况进行了相关实验研究.

　　1音叉探针样品间距离控制原理及改进

　　为了获得高的空间分辨率,一般采用剪切力模式控制探针样品间距.图1为本实验室自制的NSOM音叉光纤探针组件[3].首先把光纤探针粘在音叉的一臂上,用信号发生电路产生频率为33 kHz左右、振幅值为1~20 mV的振荡电压,使音叉探针以共振频率在平行于样品表面的方向上振动.当探针逐渐逼近到离样品表面一定距离(0.3~0.5 nm)时,振动的探针会受到一个横向的阻尼力,即剪切力的作用,此时探针的振幅和相位将开始随针尖-样品间距的大小而改变.一般NSOM中,仅通过探测相位的改变量,并作为控制信号,通过相位反馈回路PI控制器,控制样品台做Z向移动从而实现探针和样品间距的控制.

　　通常在以相位信号作为反馈控制电路信号的控制系统[4-5]中,并未对音叉探针的振幅进行限制.一旦音叉探针输出的振幅信号减小时,检测到的相位信号的信噪比将下降,从而影响音叉探针-样品间距反馈控制的响应速度.如果在音叉探针的激励信号和振幅输出信号两端加上一个振幅反馈控制回路,通过调节反馈电路中设置的参考振幅值和比例积分(PI)放大器的参数,可以使得探针在整个扫描过程中保持振幅恒定.对于Q值较高的音叉探针采用相位和振幅双反馈回路,可获得较高的探针-样品间距反馈控制的动态响应,提高音叉探针扫描速度.

　　2　恒振幅控制的原理和实现

　　PI控制器又称PI调节器,它由比例积分(PI)电路组成.根据需要适度调节它的比例(P)和积分(I)两个参量,可以使反馈回路输出保持在设定的参考值上.