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CN1322322C - 量子相干显微探测装置 - Google Patents

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CN1322322C
CN1322322C CNB2004100890226A CN200410089022A CN1322322C CN 1322322 C CN1322322 C CN 1322322C CN B2004100890226 A CNB2004100890226 A CN B2004100890226A CN 200410089022 A CN200410089022 A CN 200410089022A CN 1322322 C CN1322322 C CN 1322322C
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金石琦
龚尚庆
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Abstract

一种量子相干显微探测装置,其核心元件为晶体,晶体置于一谐振腔之内,该谐振腔之前是光纤探头,该光纤探头连接微悬臂的一端,该微悬臂的另一端与双压电晶片元件紧连并置于样品上方,样品下面紧连压电晶体管,激光器置于光纤探头上方,谐振腔出射端放置一光栅对,该光栅对的斜上方是内腔,一滤波器置于该内腔中并与计算机连接,光栅对另一侧放置反射元件,第一二向色片置于反射元件一侧,第二二向色片置于第一二向色片下方,一铷盒置于第二二向色片反射光方向并与计算机相连接,该铷盒镜锁相振荡器与微控制器与压电晶体管连接,泵浦光源置于所述晶体一侧,从晶体发出的闲置光进入另一侧的准直元件经折射元件和第二二向色片进入铷盒。

Description

量子相干显微探测装置
技术领域
本发明涉及显微探测装置,特别是一种量子相干显微探测装置。主要按可控制方式发生非线性变化的光学系统和量子相干及微悬臂的非线性动力学来实现微观样品探测。
背景技术
已有技术中斯.尔.李(S.L.Lee)等人在“活塞式原子力显微镜微悬臂的非线性动力学:理论和实验的比较”(Nonlinear dynamics ofmicro-cantilevers in tapping mode atomic force micro-scopy:Acomparison between theory and experiment,Physical Review B 66115049(2002))一文中论述了微悬臂的非线性动力学的机理。巴拉克.达延(Bavak Dayan)等人在“宽带下转换光相干控制双光子吸收(Twophoton absorption and coherent control with Broadbanddown-converted light,Physical Review Letters V.93,N.2,(2004))一文中用BBO晶体I型非共线下转换方法实现相干控制双光子吸收。
发明内容
本发明的目的是提供一种量子相干显微探测装置,该装置具有探测精度高的特点。
本发明量子相干显微探测装置的原理是:利用控制压电晶体管驱动悬臂震荡,扫描样品组织表面,激光器照射探针和样品时,微悬臂的非线性动力学特性使反射光携带探针和样品之间势场的相互作用信息,将其与泵浦光在非线性晶体中利用非线性效应进行放大,出射的信号光经滤波延迟后与闲置光通过二向色片进入铷盒。激发铷原子5S-4D能级,实现荧光信号输出,光谱特性反映了样品组织的信息。该装置具有探测精度高的特点。
本发明的技术解决方案如下:
一种量子相干显微探测装置,特点是其构成包括:一台原子力显微镜,该原子力显微镜的光纤探头通过微悬臂与双压电晶片元件相连,样品置于压电晶体管上,一台激光器发出的激光经所述的光纤探头照射在所述的样品上,该样品产生的信号光进入谐振腔内并入射到该谐振腔内的晶体上,一泵浦光源置于所述的谐振腔外及晶体的一侧,该泵浦光源发出的泵浦光进入该晶体并与信号光相互作用形成放大信号光和空闲光,由谐振腔输出的放大信号光依次经光栅对的第一光栅、内腔及其内的滤波器、光栅对的第二光栅、直角反射元件、第一二向色片和第二二向色片,由第二二向色片反射的放大信号光入射到铷盒中,所述的空闲光经准直元件、折射元件和第二二向色片进入所述的铷盒中,该铷盒的一个输出端与计算机相连接,另一输出端经锁相振荡器、微控制器与所述的压电晶体管相连,所述的滤波器与所述的计算机相连接。
所述的激光器和泵浦激光器可为光纤固体激光器,或半导体激光器。
所述的双压电晶片元件是具有双折射的晶体。
所述的微悬臂是弹性较高的金属。
所述的光纤探头是具有全内反射特性经氢氟酸刻蚀而成的。
所述的谐振腔是平面反射镜,平凹反射镜出射镜面为半透半反组合而成的。
所述的晶体为偏硼酸钡BBO,或三硼酸锂LBO,或磷酸二氢钾KDP,或磷酸氧钛钾KTP非线性晶体。。
所述的内腔是凹面全反射镜组合而成的。
所述的光栅对为平面闪耀光栅。
所述的滤波器是选波形滤波器。
所述的反射元件是平面,平凹反射镜组成。
所述的二向色片是镀膜平面镜,只透射,不准反射光反向透射。
所述的铷盒是带有入射口和出射口的金属盒。
所述的锁相振荡器是数模转换器,电子元件构成的。
所述的微控制器是转换器,电子元件集成的。
所述的准直元件是平行光管,或是望远镜,或是两个凹透镜组。
所述的压电晶体管是具有压电性能材料制成的。
本发明量子相干控制双光子吸收显微探测装置的优点:
1.使用本发明量子相干显微探测装置可实现比信号光自身带宽和脉宽提高3-5个数量级的探测精度。
2.不直接接触样品表面,不损伤样品,特别适合易伤的软组织表面探测。
3.样品更换容易,使用的种类多。
4.信噪比较高。
附图说明
图1是本发明量子相干显微探测装置的最佳实施例结构示意图。
图中:
1-双压电晶片元件    2-微悬臂    3-光纤探头    4-激光器5-谐振腔    6-泵浦激光器    7-晶体    8-内腔    9-光栅对10-滤波器    11-反射元件    12-第一二向色片    13-铷盒14-锁相振荡器    15-微控制器   16-计算机    17-第二二向色片18-折射元件    19-准直元件   20-压电晶体管    21-样品。
具体实施方式:
先请参阅图1,图1是本发明量子相干显微探测装置最佳结构实施例示意图,由图可见,本发明量子相干显微探测装置,包括最核心的元件晶体7,晶体7置于谐振腔5之内,谐振腔5之前是光纤探头3,光纤探头连接在原子力显微镜的微悬臂2的一端。该微悬臂2的另一端与双压电晶片元件1紧连着,置于样品21之上方。样品21下面紧连接着压电晶体管20,激光器4置于光纤探头3上方,谐振腔5出射端放置着光栅对9,光栅对9的斜上方是内腔8,滤波器10置于内腔8中,并于计算机16相连接,光栅对9另一侧放置反射元件11,第一二向色片12置于反射元件11左侧,第二二向色片17置于第一二向色片12下方,铷盒13置于第二二向色片17之后,并与计算机16相连接,锁相振荡器14与微控制器15分别置于铷盒13之后,毫微控制器15与压电晶体管20连接,另一路泵浦激光光源6置于晶体7左侧。晶体7右侧是准直元件19,折射元件18置于准直元件19之后,并位于第二二向色片17之前。
所说的激光器4和泵浦激光器6可为光纤固体激光器,或半导体激光器。
所说的双压电晶片元件1是聚偏氟乙烯(PVDF)和三氟乙烯的共聚物,或是奇数尼龙制成的。
所说的悬臂2是弹性高的金属制成。
所说的光纤探头3是具有全内反射特性的光纤经氢氟酸刻蚀而成的。
所说的谐振腔5是平面反射镜,平凹反射镜,凹面反射镜,入射端镀有全反射膜,出射端镀半透半反膜。
所说的晶体7是BBO,LBO,KDP,KTP非线性晶体。
所说的内腔8是镀全反射膜的凹面全反射镜而成。
所说的光栅对9为平面闪耀光栅。
所说的滤波器10是选波形滤波器。
所说的反射元件11是平面,平凹反射镜组成。
所说的二向色片12和17是镀膜平面镜,只透射,不准反射光反向透射。
所说的铷盒13是开有入射窗口和出射窗口的金属盒,入射窗口是红外玻璃制成的,出射窗口是光电多通道倍增管。
所说的锁相振荡器14是数模转换器电子元件构成的。
所说的毫微控制器15是寄存器(SAR)转换器,A/D转换器,电子元件集成的。
所说的压电晶体管20是高均匀性,高完整性的石英,或铌酸锂,或钽酸锂,或四硼酸锂,或铌酸钾制成的。
所说的准直元件19是平行光管,或是望远镜,或是两个凸透镜组。
所说的折射元件18是玻璃,或透明聚合物制成的平板。
所说的计算机16可处理控制信号。
本发明的量子相干显微探测装置工作过程是:
当激光器4发出的激光照射到光纤探头3时,光纤探头3在双压电晶片元件1和微悬臂2的带动下有自身的运动规律,样品21在压电晶体管20受微控制器15和锁相振荡器14的控制下也有其自身的运动规律,光纤探头3传输的光照射到样品21表面再反射时携带了微悬臂2和样品21之间非线性动力学特性的信息,带有相互作用信息反射的信号光Is进入谐振腔5内入射到非线性晶体7上,泵浦激光器6发出的泵浦光Ip与信号光Is成一定角度入射到晶体7内,信号光Is与泵浦光Ip在晶体7内相遇时的非线性耦合效应,使信号光Is被放大,由晶体7输出两种光,一种是被放大的信号光Gs,另一种光称为空闲光Gi,空闲光Gi经准直元件19准直后经折射元件18射向第二二向色片17,信号光Gs由光栅对9的第一个光栅转射向内腔8,经内腔8中的滤波器10选出相应的波形,选波形控制由计算机16的程序控制,选出波形的信号光Gs经内腔8另一端反射镜汇聚到光栅对9的第二个光栅,然后射向反射元件11和二向色片12和17,信号光Gs与空闲光Gi之间有延迟,经二向色片17的信号光Gs和空闲光Gi一同射向铷盒13,铷中的5S-4D能级被激发跃迁后产生荧光谱,荧光谱被铷盒13出射窗口即光电多通道倍增管接收后传送到计算机16上处理出可读数据和图形。
在图1所示的装置中,激光器4是用固体激光器作光源,输出波长是800nm,晶体是BBO,泵浦激光器输出3ns脉冲,波长516.65nm,一兆瓦峰值功率,测得样品分辨0.04nm。

Claims (10)

1、一种量子相干显微探测装置,特征在于其构成包括:一台原子力显微镜,该原子力显微镜的光纤探头(3)通过微悬臂(2)与双压电晶片元件(1)相连,样品(21)置于压电晶体管(20)上,一台激光器(4)发出的激光经所述的光纤探头(3)照射在所述的样品(21)上,该样品(21)产生的信号光(Is)进入谐振腔(5)内并入射到该谐振腔(5)内的晶体(7)上,一泵浦光源(6)置于所述的谐振腔(5)外及晶体(7)的一侧,该泵浦光源(6)发出的泵浦光(Ip)进入该晶体(7)并与信号光(Is)相互作用形成放大信号光(Gs)和空闲光(Gi),由谐振腔(5)输出的放大信号光(Gs)依次经光栅对(9)的第一光栅、内腔(8)及其内的滤波器(10)、光栅对(9)的第二光栅、直角反射元件(11)、第一二向色片(12)和第二二向色片(17),由第二二向色片(17)反射的放大信号光(Gs)入射到铷盒(13)中,所述的空闲光(Gi)经准直元件(19)、折射元件(18)和第二二向色片(17)进入所述的铷盒(13)中,该铷盒(13)的一个输出端与计算机(16)相连接,另一输出端经锁相振荡器(14)、微控制器(15)与所述的压电晶体管(20)相连,所述的滤波器(10)与所述的计算机(16)相连接。
2、根据权利要求1所述的量子相干显微探测装置,其特征在于所述的激光器(4)和泵浦光源(6)为光纤固体激光器,或半导体激光器。
3、根据权利要求1所述的量子相干显微探测装置,其特征在于所述的双压电晶片元件(1)是具有双折射的晶体,是聚偏氟乙烯和三氟乙烯的共聚物,或是奇数尼龙制成的。
4、根据权利要求1所述的量子相干显微探测装置,其特征在于所述的晶体(7)是偏硼酸钡BBO,或三硼酸锂LBO,或磷酸二氢钾KDP,或磷酸氧钛钾KTP非线性晶体。
5、根据权利要求1所述的量子相干显微探测装置,其特征在于所述的内腔(8)是镀全反射膜的凹面全反射镜构成的。
6、根据权利要求1所述的量子相干显微探测装置,其特征在于所述的光栅对(9)为平面闪耀光栅对。
7、根据权利要求1所述的量子相干显微探测装置,其特征在于所述的反射元件(11)是平面反射镜,或平凹反射镜。
8、根据权利要求1所述的量子相干显微探测装置,其特征在于所述的第一二向色片(12)和第二二向色片(17)是只透射,不准反射光反向透射的镀膜平面镜。
9、根据权利要求1所述的量子相干显微探测装置,其特征在于所述的铷盒(13)是开有入射窗口和出射窗口的金属盒,入射窗口是红外玻璃制成的,出射窗口是光电多通道倍增管。
10、根据权利要求1所述的量子相干显微探测装置,其特征在于所述的压电晶体管(20)是由高均匀性高完整性的石英,或铌酸锂,或钽酸锂,或四硼酸锂,或铌酸钾制成的。
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