摘 要:扫描近场光学显微镜(SNOM)是基于非辐射场的产生和探测,能够实现超衍射极限分辨率的光学成像。但纳米精度的压电陶瓷扫描器的非线性始终是影响成像质量的关键问题。该文提出了改善SNOM系统中压电陶瓷扫描器的非线性特性的方法。在测得的压电陶瓷位移-电压关系的基础上,运用校正压电陶瓷非线性的方法,使压电陶瓷扫描器位移输出的线性度大幅度提高,相关系数从0.99提高到0.999 9。实验结果表明,经过非线性校正,SNOM光学图像质量得到明显改善。
1 引言
现代科学技术的发展提出了纳米分辨率光学成像的要求。这促使人们突破传统光学显微镜分辨率的局限性寻求新的光学显微成像法,以打破传统光学衍射极限的限制。作为扫描探针显微镜家族的重要成员,近场光学显微镜(SNOM)的光学成像分辨率达到纳米量级,除强度对比度之外还可获取荧光对比度、偏振对比度、折射率对比度、吸收对比度、光谱对比度等信息。SNOM能够在纳米空间提供如此丰富的光学信息,在探测样品的多样性上显示出其他SPM所无法比拟的优越性[1,2]。
为了获得样品的图像和局域点的信息,SNOM必须对样品进行二维的扫描,一般是采用压电陶瓷作为微位移元件。如图1所示,一般采用的是四分压电陶瓷管来实现XY二维的扫描[3]。
压电陶瓷扫描器是SNOM完成三维扫描运动的关键部件,是整个仪器的核心,其性能直接决定了图像的质量。因此,必须对压电陶瓷扫描器的扫描范围、扫描当量、线性度等动态特性进行定量测试和校正。
本文在测量压电陶瓷位移-电压特性的基础上,提出通过改变驱动电压的方法实现压电陶瓷位移线性输出的校正方法。
2 扫描非线性特性的测量
SNOM采用的是三角波扫描,扫描波形用计算机产生的阶梯波模拟,以双极性电压输出,经放大后驱动压电陶瓷,对样品实现逐行、逐点的光栅式扫描。由于扫描样品的过程是具有一定扫描速度的动态过程,因此应当对其动态扫描性能进行测试。
实验中使用了德国Polytec公司的OFV3000型激光光纤测振干涉仪。这种仪器基于马赫-曾德干涉原理,可在5 cm～30 m范围内测量物体的振动速度和幅值大小,最高分辨率为8 nm,可以直接观察扫描器的位移波形。本文利用该仪器对PZT扫描管在不同的激励电压幅值、频率下的扫描范围、非线性特性等进行了动态测量研究。
实验装置如图2所示,计算机通过D/A输出扫描波形,经高压放大后驱动压电陶瓷产生XY向扫描运动。测振干涉仪输出测量、参考两束激光,将参考光聚焦在扫描器的固定端,测量光聚焦在扫描端。反射回的两束光发生干涉,经干涉仪的控制单元处理后即可得到扫描器的位移波形。由A/D卡将测振仪输出的模拟位移信号转换成数字信号输入计算机,实现对测量结果的实时显示和分析。
众所周知,压电陶瓷的位移-电压关系呈明显的电滞特性,而且随驱动电压范围、扫描步长以及各扫描点等待时间的不同,其位移与电压之间的非线性关系也不同。下文的测量均以X方向扫描为例,扫描电压(400～+400 V,扫描步长8 V,每扫描点等待时间8 ms。图3是测得的位移-电压关系曲线。表1列出了位移-电压特性曲线拟合的结果。
3 静态非线性特性的校正
图4为压电陶瓷的位移-电压关系曲线。将该曲线的首尾两点确定的直线作为理想电压-位移直线。当电压为u0(t0),压电陶瓷扫描器输出的实际位移为s0,而由理想直线可知,为保证输出线性位移,此时输出位移应为si,而实际上只有当电压为ui时才能输出位移si。由此我们设想:如果改变电压时间的线性关系,在u0对应的时刻t0,实际输出校正电压ui,这样就可使压电陶瓷扫描器输出线性位移si。图中,理想直线方程可通过压电陶瓷的位移-电压曲线的首尾两点坐标确定:
将图6、表2分别与图3、表1对比可发现,上述方法使压电陶瓷的位移-电压关系的线性度得到了显著的提高。可见,此方法对于提高压电陶瓷输出位移的线性度非常有效。同时,实验结果表明,对压电陶瓷进行电压补偿非线性校正的方法在输出线性位移的同时不会影响压电陶瓷扫描的重复精度,扫描图像也不会发生畸变。
4 动态非线性特性的校正
压电陶瓷可以近似地看成一个容性器件,因此当加在压电陶瓷上的电压发生阶跃变化时,其输出的位移并不能同时发生类似的阶跃变化,而是需要一定的弛豫时间τ才能达到稳态。为了保证扫描图像的质量,必须在其达到稳态后才能采样。
压电陶瓷在爬行过程中位移与时间大致呈对数关系[4]:
图7为式(4)～(6)所表达的位移-时间的关系曲线。其中τ与压电陶瓷伸缩的状态是一个动态关系,在不同状态下τ值也不一致。图8分别是对压电陶瓷位移信号进行高频采样得到的位移-电压曲线的起始段和接近终点段曲线。可明显看出,当电压距离起始点不远时,压电陶瓷τ值较小,其位移输出会很快到达稳态;而越接近终点时,τ值越大,甚至超过扫描停留时间,不容易到达稳态,如果此时采集近场光学信号必然会影响图像质量。
设压电陶瓷初始电压为u,当需要输出阶跃电压u+Δu时,先输出爬行校正电压u+k·Δu(1
图10是X向压电陶瓷在非线性校正后的实验结果。图中,k=1.2;Δtc=4 ms;Δtt=8 ms的情况下高频采样得到的位移-电压关系曲线的起始段和终点段。可以看出,压电陶瓷在每一步基本达到稳态。
实验结果表明,爬行校正不会对压电陶瓷位移线性度产生影响。
5 结束语
将上述讨论的非线性校正法用于SNOM系统。对如图11(a)所示二维标准光栅(一个方格为1μm×1μm)进行成像,在探针与样品间距为50 nm的情况下进行扫描。扫描范围为9.2μm×9.2μm,扫描步长为46 nm(非线性校正情况下),采样延迟时间为10 ms。在无非线性校正和有非线性校正的情况下分别进行扫描,得到的图像如图11(b)、(c)所示。
从图11(b)可看出,在无非线性校正的情况下,光栅中透光的方格排成了一条条弯曲的、行距不等的曲线,这是由于压电陶瓷扫描器的非线性造成的。而在图11(c)中,由于进行了非线性校正,光栅中透光的方格排成了整齐的直线。实验得到的图像表明,本文提出的对压电陶瓷扫描器进行非线性校正的方法是有效的,可明显改进SNOM扫描图像质量。
参考文献:
[1]王 佳.近场扫描光学显微镜和光子扫描隧道显微镜[J].电子显微学报,1996,17(5):558-560.
[2] BETZIG E, LEWIS A, HAROOTUNIAN A, et al.Near-field scanning optical microscopy (NSOM)[J].Biophysics , 1986,49(7): 269-279.
[3]洪 涛,王 佳,刘秀梅,等.用于扫描探针显微镜的复合型三维压电扫描器[J].压电与声光,2000,22(1):30-32.
[4] VIEIRA S. The behavior and calibration of some piezo-electric ceramics used in the STM[J]. IBM J Res Dev,1986, 30(5): 553-556.
本文作者：徐铁军 潘 栋 王 佳 章恩耀 田 芊
