基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统

摘要

一种基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统，包括：一近场激发样品台，该近场激发样品台包括一悬臂，该近场激发样品台用于放置样品；一半导体微小孔激光器，该半导体微小孔激光器安装于近场激发样品台的悬臂上；一探测器，该探测器位于样品台的下方，与半导体微小孔激光器相对；一信号处理器，该信号处理器的输入端与探测器的输出端连接，用于收集处理探测器的数据；一Z轴控制装置，该Z轴控制装置通过信号处理器控制近场激发样品台的Z轴移动，以便控制半导体微小孔激光器与近场激发样品台的距离；一X-Y扫描装置，该X-Y扫描装置通过信号处理器控制半导体微小孔激光器对近场激发样品台上的样品进行扫描。

权利要求

1.一种基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统，包括：

一近场激发样品台，该近场激发样品台包括一悬臂，该近场激发样品台用于放置样品；

一半导体微小孔激光器，该半导体微小孔激光器安装于近场激发样品台的悬臂上，该半导体微小孔激光器采用P面向上的封装方式，其前腔面带有纳米结构的出光孔，该纳米结构的出光孔位置突出于半导体微小孔激光器中热沉的前端；

一探测器，该探测器位于样品台的下方，与半导体微小孔激光器相对；

一信号处理器，该信号处理器的输入端与探测器的输出端连接，用于收集处理探测器的数据；

一Z轴控制装置，该Z轴控制装置通过信号处理器控制近场激发样品台的Z轴移动，以便控制半导体微小孔激光器与近场激发样品台的距离；

一X-Y扫描装置，该X-Y扫描装置通过信号处理器控制半导体微小孔激光器对近场激发样品台上的样品进行扫描。

2.根据权利要求1所述的基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统，其中在半导体微小孔激光器是在边发射半导体激光器的前腔面上镀一层金属薄膜形成的，在前腔面的中心位置开有纳米结构的出光孔。

3.根据权利要求2所述的基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统，其中纳米结构的出光孔的周围带有周期为亚波长量级的环形光栅结构。

4.根据权利要求1所述的基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统，其中半导体微小孔激光器的激射波长为405nm、450nm、650nm、750nm、808nm或980nm。

5.根据权利要求1或2所述的基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统，其中半导体微小孔激光器的金属薄膜是采用电子束蒸发工艺或磁控溅射工艺进行生长制备的，金属薄膜厚度取值范围为100nm到400nm。

6.根据权利要求3所述的基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统，其中的纳米结构的出光孔和周期为亚波长量级的环形光栅结构均采用聚焦离子束刻蚀的方法制备的。

7.根据权利要求1所述的基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统，其中X-Y扫描装置的扫描范围为2×2μm。

说明书

基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统

技术领域

[0001] 本发明是一种扫描近场光学显微镜系统，特别是一种采用半导体微小孔激光器作为该系统有源探针的扫描近场光学显微镜系统。

背景技术

[0002] 在传统的扫描近场光学显微镜(SNOM)中，用作近场照明的探针多采用光纤探针，但是这种光纤探针具有难以克服的缺点，光透过率低，且热损伤阈值低，使其不能够提供足够高的近场光功率，而且光纤材料的机械性能差，容易损坏。采用微小孔径激光器作为近场4
光源可以大为改善输出光功率，较光纤探针相比，输出光功率可提高10 倍。但是对于单一微小孔径结构来说，根据光学衍射原理，出射光束的发散严重，只有在较近距离内才可以得到微小的光斑，而半导体激光器的腔面面积很大，难以实现腔面与样品表面的严格平行，也很难将出光孔经与样品控制在几十个纳米的量级。从而难以实现系统的高分辨率。

发明内容

[0003] 本发明目的在于解决上述技术的不足，提出一种扫描近场光学显微镜系统，使得在该系统中同时实现高功率密度与高分辨率。

[0004] 本发明提供一种基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统，包括：

[0005] 一近场激发样品台，该近场激发样品台包括一悬臂，该近场激发样品台用于放置样品；

[0006] 一半导体微小孔激光器，该半导体微小孔激光器安装于近场激发样品台的悬臂上；

[0007] 一探测器，该探测器位于样品台的下方，与半导体微小孔激光器相对；

[0008] 一信号处理器，该信号处理器的输入端与探测器的输出端连接，用于收集处理探测器的数据；

[0009] 一Z轴控制装置，该Z轴控制装置通过信号处理器控制近场激发样品台的Z轴移动，以便控制半导体微小孔激光器与近场激发样品台的距离；

[0010] 一X-Y扫描装置，该X-Y扫描装置通过信号处理器控制半导体微小孔激光器对近场激发样品台上的样品进行扫描。

[0011] 其中在半导体微小孔激光器是在边发射半导体激光器的前腔面上镀一层金属薄膜形成的，在前腔面的中心位置开有纳米结构的出光孔。

[0012] 其中半导体微小孔激光器采用P面向上的封装方式，其前腔面带有纳米结构的出光孔，该纳米结构的出光孔位置突出于半导体微小孔激光器中热沉的前端。

[0013] 其中纳米结构的出光孔的周围带有周期为亚波长量级的环形光栅结构。

[0014] 其中半导体微小孔激光器的激射波长为405nm、450nm、650nm、750nm、808nm或980nm。

[0015] 其中半导体微小孔激光器的金属薄膜是采用电子束蒸发工艺或磁控溅射工艺进行生长制备的，金属薄膜厚度取值范围为100nm到400nm。

[0016] 其中的纳米结构的出光孔和周期为亚波长量级的环形光栅结构均采用聚焦离子束刻蚀的方法制备的。

[0017] 其中X-Y扫描装置的扫描范围为2×2μm。

[0018] 本发明的技术效果：本发明利用了微小孔径半导体激光器作为SNOM系统的有源探针，系统采用照明模式，由于所述的微小孔径激光器采用了环形金属纳米结构对出射光束进行调制，可以压缩光束发散角度，实现了在较远处实现亚波长的聚焦光斑，达到高分辨率。同时，由于所述的金属环形光栅具有一定的增加透射的作用，有助于进一步提高近场光功率。通过步进电机驱动激光器有源探针靠近样品表面，利用X-Y扫描系统对样品表面进行二维平面扫描，同时利用远场信号收集系统对探针激发样品得到的信号进行检测和分析处理。

[0019] 利用这种高功率的近场光源作为探针，并将其引入SNOM系统中来，可以实现一定分辨率的近场测量，尤其是对于产生信号较弱的，或者需要激发光功率较高的情况，如近场光谱测量，材料表面近场光电导率的分析和近场光刻等测量分析。

附图说明

[0020] 下面结合附图和实施例对本发明的结构和特征作进一步的详细描述，其中：

[0021] 图1为近场光学显微镜系统的结构示意图；

[0022] 图2为微小孔径激光器的结构示意图；

[0023] 图3为激光器封装方式示意图。

具体实施方式

[0024] 图1为基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统的结构示意图，本发明中的基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统利用半导体微小孔激光器1作为有源探针，该系统采用传统扫描近场光学显微镜系统的照明模式，即利用利用半导体微小孔激光器1对样品4表面进行近场的局域激发并产生带有样品4表面信息的光学信号，而探测器5放置在远场进行探测接收。所述基于微小孔激光器的扫描近场光学显微镜系统具有近场激发样品台3，样品4放置于近场激发样品台3上，该近场激发样品台3包括一悬臂2，所述的半导体微小孔激光器1安装于近场激发样品台3的悬臂2上，所述半导体微小孔激光器1在边发射半导体激光器的基础上进行制备的，激光器的激射波长根据器件选择不同的材料系而定，可为405nm、450nm、650nm、750nm、808nm或980nm中之一，半导体微小孔激光器1结构示意图如图2所示，在边发射半导体激光器的前腔面镀有一层金属薄膜9，金属薄膜9的作用是阻挡由激光器发出的光直接由前腔面出射，该层金属薄膜9的采用电子束蒸发工艺或磁控溅射工艺进行制备，要求生长的金属薄膜9均匀致密，并要精确控制厚度，金属薄膜9厚度的取值范围为100nm到400nm。然后在激光器前腔面的中心位置开有纳米结构的出光孔10，该纳米结构的出光孔10的周围带有周期为亚波长量级的环形光栅结构。在没有加入所述的环形光栅结构时，纳米结构的出光孔10附近处会得到远小于激光器激射波长的近场光斑，根据光的衍射理论，由纳米结构的出光孔10出射的光束会随着向前传播而迅速发散，在远离纳米结构的出光孔10的位置光斑较大，这会造成整个系统分辨率的下降，要保持高分辨率的办法是精确控制半导体微小孔激光器1与近场激发样品台3的距离，这对Z轴控制装置7来说很难达到，引入环形光栅结构后，由于金属表面的表面等离子体效应对出射光束的调制作用，光束的发散角可以大幅降低，理论上可以在距纳米结构的出光孔10较远距离范围内(2λ到3λ量级)实现亚波长聚焦，光斑直径达到λ/2的量级，这样就可以解决Z方向距离控制的难题，以上所述的纳米结构的出光孔10与周围的环形光栅结构均位于金属薄膜9上并采用聚焦离子束(FIB)刻蚀方法进行制作。为使得纳米结构的出光孔10易于接近样品4表面，半导体微小孔激光器1的封装方式需要改进，一般的半导体激光器封装方式是将器件的P面电极11与热沉12相接触，而N面电极位于整体器件的外侧，这称为N面向上的封装方式。考虑到激光器的厚度较大，为100μm量级，并且纳米结构的出光孔10位于半导体微小孔激光器1的前腔面上靠近P面电极11的一侧(这是由边发射激光器材料外延生长结构决定的)，在半导体微小孔激光器1的前腔面与样品4表面没有严格平行的情况下，两者难以接近。为解决这一难题，该半导体微小孔激光器1为采用P面向上的封装方式，如图3所示，并将其前腔面的纳米结构的出光孔10的位置突出于半导体微小孔激光器1中热沉12的前端。为实现近场激发信号的收集和处理，在近场激发样品台3下方装配探测器5，与半导体微小孔激光器1相对，激发信号光透过样品4经过透镜汇聚后被探测器5接收。探测器5的输出端与信号处理器6相连，该信号处理器6用于收集处理探测器5的输出信号。同时，信号处理器6与Z轴控制装置7以及X-Y扫描装置8相连接并进行控制。Z轴控制装置7的作用是控制近场激发样品台3的Z轴移动，由此调节控制半导体微小孔激光器1与近场激发样品台3的距离。X-Y扫描装置8的作用是控制半导体微小孔激光器1的在平行于样品4的方向上移动，来对近场激发样品台3上的样品4进行扫描。当信号处理器6每完成一个数据点的采集和记录后，就要对Z轴控制装置7和X-Y扫描装置8发出指令，使得在半导体微小孔激光器1与近场激发样品台3的距离保持不变的前提下，沿平行样品4表面方向横向移动半导体微小孔激光器1一个步长，步长为1nm到10nm之间，视测试精度而定，而后进行下一个数据点的收集。如此反复实现二维网格状逐点扫描，扫描范围为2×2μm。最终扫描结束后，由信号处理器6生成包含样品4表面信息的二维图像。

[0025] 利用本发明中的SNOM系统可以用于近场光源功率要求较高的情形，如样品4的表面形貌、近场局域光谱以及微区光电导等进行测量，还可用于近场光刻工艺的研究。

[0026] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。