Оптический зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа

 

Оптический зонд содержит кварцевый резонатор и источник колебаний, закрепленные на основании, а также оптическое волокно, установленное на первом плече кварцевого резонатора посредством прижима. Прижим содержит захват и установлен на основании с возможностью подвижки захвата относительно первого плеча кварцевого резонатора, а оптическое волокно закреплено на основании и расположено под углом к первому плечу кварцевого резонатора с возможностью изменения угла. Прижим может быть выполнен в виде двух планок, первая из которых установлена на основании с возможностью поворота и подвижки в плоскости, перпендикулярной оптическому волокну, а на первой планке установлена вторая планка с возможностью поворота относительно нее в плоскости, параллельной оптическому волокну, и с возможностью фиксации относительно нее. Обеспечивается повышение чувствительности зонда и надежности его использования. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к устройствам, обеспечивающим съем оптической информации с поверхности тел с использованием сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).

Известен оптический зонд, закрепленный на одном плече кварцевого резонатора посредством клея [1].

Недостаток указанного устройства заключается в том, что закрепление оптического волокна на плече кварцевого резонатора осуществлено посредством клея. Это приводит к снижению добротности кварцевого резонатора и, соответственно, к снижению чувствительности зонда.

Клеевое соединение имеет также низкую надежность крепления, особенно в условиях термоциклирования, например при использовании зонда в криостате.

Вместе с этим, клеевое соединение не позволяет оперативно регулировать добротность системы в соответствии с вязкостью среды измерения, ее температуры и других переменных факторов, что снижает функциональные возможности устройства.

Известен также оптический зонд, содержащий оптическое волокно, закрепленное на одном плече кварцевого резонатора посредством пружинного прижима. Кварцевый резонатор закреплен при этом на основании и сопряжен с источником колебаний [2].

Первый недостаток указанного устройства заключается в том, что пружинный прижим соприкасается через оптический зонд с плечом кварцевого резонатора, что влияет на частотные характеристики и добротность устройства, а это снижает чувствительность зонда.

Второй недостаток заключается в том, что пружинный прижим не позволяет фиксировать оптическое волокно по направлению, перпендикулярному направлению усилия прижима. Это может приводить к соскальзыванию волокна с кварца, что, соответственно, снижает надежность устройства.

Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности зонда и надежности его использования.

Это достигается тем, что в оптическом зонде на основе кварцевого резонатора, содержащем кварцевый резонатор и источник колебаний, закрепленные на основании, а также оптическое волокно, установленное на первом плече кварцевого резонатора посредством прижима, прижим содержит захват и установлен на основании с возможностью подвижки относительно первого плеча кварцевого резонатора и с возможностью взаимодействия захвата с оптическим волокном, закрепленным на основании и расположенным под углом к первому плечу кварцевого резонатора с возможностью изменения угла.

Существует вариант, в котором возможность подвижки прижима осуществлена путем его выполнения в виде первой планки, установленной на основании с возможностью поворота и подвижки в плоскости, перпендикулярной оптическому волокну, а также в виде второй планки, установленной на первой планке с возможностью поворота относительно нее в плоскости, параллельной оптическому волокну, и с возможностью фиксации относительно нее.

Целесообразно также выполнение захвата прижима в виде паза с прямоугольным сечением с шириной, равной диаметру оптического волокна, высотой - меньше диаметра оптического волокна, а длиной - больше диаметра оптического волокна.

На фиг.1 изображен оптический зонд на основе кварцевого резонатора, вид сбоку.

На фиг.2 - вариант выполнения закрепления оптического волокна на основании.

На фиг.3 - вариант выполнения прижима.

На фиг.4 - вариант выполнения захвата.

На фиг.5 - первый вариант установки зонда в СЗМ.

На фиг.6 - второй вариант установки зонда в СЗМ.

Оптический зонд на основе кварцевого резонатора содержит кварцевый резонатор 1 с первым и вторым плечами 2 и 3, а также буртиком 4, установленным на основании 5. Оптическое волокно 6, при этом, с острием 7 закреплено на основании 5 под углом α к плечу 2. Буртик 4 кварцевого резонатора может быть закреплен в основании 5 с использованием клея, посадки с натягом и т.п. Устройство крепления 8 оптического волокна 6 может содержать фланец 9, установленный с возможностью подвижки по координатам X, Y в зазорах 10 и закрепленный винтами 11. Кроме этого, в устройство крепления 8 может входить шаровая опора 12 и накладка 13, закрепленная на фланце 9 винтами 14. С целью осевого закрепления оптического волокна 6 относительно шаровой опоры 12 она (шаровая опора) может быть изготовлена из эластичного материала, в виде цанги (не показано) и т.п. Оптический зонд на основе кварцевого резонатора содержит также прижим 15 с захватом 16, выполненным, например, в виде паза, установленный на основании 5 посредством винта 17 с возможностью подвижки относительно него. Подвижка прижима 15 в плоскости X, Y может быть осуществлена как поворотом прижима 15 вокруг оси О-О', так и подвижкой в зазоре 18. Подвижка прижима 15 по координате Z может быть осуществлена с использованием, например, пружинного элемента 19, либо набора шайб (не показаны), установленных на месте пружинного элемента 19. На основании 5 закреплен также источник колебаний 20, выполненный в виде пьезокерамической пластины 21 с электродами 22 и изоляторами 23.

Возможен также более простой вариант выполнения устройства крепления 8, состоящий, например, из двух пластин 24 и 25 (фиг.2), выполненных из фторопласта или другого пластичного материала и закрепленных относительно корпуса 26 прижимной планкой 27. Регулировка по углу может осуществляться винтами 28 и 29.

Существует более сложный и более надежный вариант выполнения прижима, в котором возможность его подвижки осуществлена путем использования первой планки 30 (фиг.3), установленной на основании 5 посредством винта 31 с возможностью поворота и подвижки в плоскости, перпендикулярной оптическому волокну 6, например в зазоре 32. На первой планке 30 посредством, например, плоской пружины 33 закреплена вторая планка 34 с винтом 35, отверстием 36, захватом 37 и отверстием 38. На первой планке 30 закреплен также ориентир 39 с упором 40. Отверстие 38 должно быть таким, чтобы был возможен подъем и установка на упор 10 планки 34. Вместе с этим зазоры в отверстии должны обеспечивать надежное закрепление волокна 6. Например, зазор по координате Y не должен приводить к соскальзыванию волокна 6 с плеча 2.

Захват 16 прижима 15 может иметь прямоугольное сечение с шириной Б (фиг. 4), равной диаметру оптического волокна d, и высотой В, меньшей диаметра d оптического волокна. При этом длина Г (фиг.3) захвата превышает диаметр d волокна 6.

Оптический зонд на основе кварцевого резонатора предназначен для использования в составе сканирующего зондового микроскопа, который содержит платформу 41 (фиг.5) с устройством подвода 42 и пьезосканером 43, на котором посредством держателя 44 закреплен объект 45.

На платформе 41 установлено также основание 5 с оптическим волокном 6, устройством крепления 8, прижимом 15 и источником колебаний 20. Волокно 6 может быть сопряжено с блоком анализа оптической информации 46 (например, фотоэлектронным умножителем). Объект 45 может быть сопряжен через зеркало 47 с источником света 48 (например, лазером).

Следует заметить, что основание 5 (фиг.6) с кварцевым резонатором 1, волокном 6, устройством крепления 8, прижимом 15 и источником колебаний 20 может быть установлено на столике 49 пьезосканера 43. Объект 45, при этом, будет закреплен на платформе 50. В этом случае, устройство крепления 8 с целью упрощения настройки может быть установлено на основании 5 со стороны кварцевого резонатора 1 между прижимом 15 и основанием 5.

Возможен также вариант, в котором подсветка объекта осуществляется через волокно 6, а съем информации - через зеркало 47, сопряженное с блоком 46.

Элементы 1, 20, 42, 43 и 44 в обоих случаях подключены к блоку управления 51.

Устройство работает следующим образом. Устанавливают оптическое волокно 6 в шаровую опору 12. Следует заметить, что волокно 6 может быть как закреплено в опоре 12, так и установлено свободно, например, по скользящей посадке. Неподвижность его по координате Z при работе будет обеспечена силами трения при изгибе волокна 6. Используя фланец 8 и опору 12, устанавливают волокно 6 под углом α к плечу 2. Величину угла α выбирают из следующих соображений. Увеличение угла α позволяет в большем диапазоне регулировать усилие прижима волокна 6 к плечу 3. С другой стороны, при этом увеличивается вероятность слома волокна 6. То есть, для каждого конкретного волокна выбирается некий оптимальный угол α, при котором при достаточной надежности использования волокна 6 сохраняется приемлемый диапазон регулировки усилия прижима. После этого, используя подвижку прижима 15 и захват 16, осуществляют поджим волокна 6 к плечу 2. Далее устанавливают основание 5 с оптическим волокном 6 либо на пьезосканер 43, либо на платформу 41. После этого осуществляют сближение зонда с образцом с целью последующего исследования образца.

Закрепление волокна 6 по фиг.3 происходит следующим образом. Используя подвижку первой планки 30, ориентируют захват 37 напротив первого плеча 2 кварцевого резонатора. Поднимают вторую планку 34 винтом 35, устанавливают волокно 6 в захват 37 и закрепляют его на первом плече 2.

Более полно с использованием зонда в составе сканирующего зондового микроскопа можно ознакомиться в следующих источниках [3, 4, 5, 6].

Использование прижима с захватом, установленного на основании с возможностью взаимодействия с оптическим волокном, закрепленным на основании под углом к плечу кварцевого резонатора, повышает добротность кварцевого резонатора и его чувствительность, а также повышает надежность его использования.

Установка прижима на основании с возможностью подвижки относительно плеча кварцевого резонатора приводит к следующим результатам.

Подвижка по оси Х позволяет более точно сориентировать оптическое волокно относительно плеча резонатора, что повысит надежность его закрепления.

Подвижка по оси Y позволяет изменять усилие прижима волокна к резонатору, что позволяет выбирать оптимальное усилие прижима с точки зрения надежности крепления и приемлемой добротности.

Подвижка по оси Z позволяет выбрать для каждого волокна оптимальную длину для получения максимальной добротности и, соответственно, чувствительности.

Закрепление оптического волокна на основании под углом к первому плечу кварцевого резонатора позволяет использовать пружинные свойства волокна для его закрепления, что повышает добротность и чувствительность устройства, а возможность изменения угла позволяет выбирать его оптимальное значение.

Использование первой и второй планок упрощает процесс установки оптического волокна и надежность его закрепления.

Выполнение захвата в виде паза с прямоугольным сечением и длиной, превышающей диаметр волокна, повышает надежность его закрепления. Ширина паза Б, равная диаметру d волокна, ограничивает перемещение волокна, приводящее к соскальзыванию его с плеча резонатора, и повышает надежность закрепления.

Источники информации 1. Патент Великобритании GB 2289759, H 01 J 37/28, 1995.

2. Патент ЕР 0864899, G 02 B 21/00, 1998.

3. Зондовая микроскопия для биологии и медицины. В.А. Быков и др. Сенсорные системы, т.12, 1, 1998, с.99-121.

4. Сканирующая туннельная и атомно-силовая микроскопия в электрохимии поверхности. А.И. Данилов. Успехи химии 64 (8), 1995, с.818-833.

5. Сканирующая туннельная микроскопия. B.C. Эдельман. ПТЭ 5, 1989, с. 25-49.

6. Патент ЕР 0791802, G 01 B 7/34, 1996.

Формула изобретения

1. Оптический зонд на основе кварцевого резонатора для сканирующего зондового микроскопа, содержащий кварцевый резонатор и источник колебаний, закрепленные на основании, а также оптическое волокно, установленное на первом плече кварцевого резонатора посредством прижима, отличающийся тем, что прижим содержит захват и установлен на основании с возможностью подвижки захвата относительно первого плеча кварцевого резонатора, а оптическое волокно закреплено на основании и расположено под углом к первому плечу кварцевого резонатора с возможностью изменения угла.

2. Оптический зонд по п.1, отличающийся тем, что возможность подвижки прижима осуществлена путем его выполнения в виде первой планки, установленной на основании с возможностью поворота и подвижки в плоскости, перпендикулярной оптическому волокну, а также в виде второй планки, установленной на первой планке с возможностью поворота относительно нее в плоскости, параллельной оптическому волокну и с возможностью фиксации относительно нее.

3. Оптический зонд по п.1, отличающийся тем, что захват прижима имеет прямоугольное сечение с шириной, равной диаметру оптического волокна, высотой - меньше диаметра оптического волокна, а длиной - больше диаметра оптического волокна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6