内窥式二维光纤扫描探头及其驱动方法

基于压电换能器技术设计了一种应用于光学相干层析成像的新型内窥式二维光纤扫描探头,即利用两片压电陶瓷片和一片薄导电基片驱动光纤探头.该探头利用光纤悬臂的共振特性,通过对压电陶瓷施加等于光纤共振频率的混频信号,能同时激发光纤悬臂两正交方向上的振动,可以实现光纤悬臂的二维扫描.建立了理论模型并进行了有限元仿真分析,最后搭建了...     

采用DDS的近场扫描光学显微镜探针-样品的纳米距离检测

近场扫描光学显微术中, 近场距离的检测和控制是需要解决的核心技术之一. 本文研究了基于DDS驱动的压电传感器, 在一个压电陶瓷片上, 电极被分成相同的两部分, 分别用于振动驱动和振幅检测. 近场扫描的光纤探针固定于此压电陶瓷片上. 振动驱动信号采用DDS, 在样品的远场时, 可以通过频率扫描得到误差在0.006 Hz以内的压电陶瓷片谐振频率驱动信号, 而当光纤探针处于样品的近场距离之内时, 压电陶瓷片的谐振频率偏离驱动信号频率, 振幅明显减小, 从而检测出近场距离. 高精度振动驱动源DDS和高灵敏度压电传感器的采用提高了检测灵敏度和工作稳定性.     

用于内窥光学相干层析成像的小型化预标定Lissajous扫描光纤探头

基于非对称光纤悬臂结构的Lissaj ous扫描光纤探头可实现低电压驱动下的大范围扫描成像.本文研究了全封装的小型化预标定Liss ajous扫描光纤探头.通过优化设计与数值仿真,选择了能实现高填充率Liss ajous扫描的正交谐振频率,确定了非对称光纤悬臂的结构参数.全封装探头在5 mm工作距离处的焦点直径为25 μm,视场大小达到1.5 mm × 1.5 mm,总刚性长度和外径分别为35 mm和3.5 mm.研究了全封装探头扫描轨迹的稳定性、可重复性与扫描成像的旋转稳定性.结合实验室搭建的50 kHz扫频光学相干层析(OCT)系统,对硬币和生物组织进行高质量成像,验证了用于内窥OCT成像的小型化预标定Liss ajous扫描光纤探头具有良好的成像性能.     

用光纤光栅传感器研究压电陶瓷的特性

提出了一种利用光纤光栅传感器研究压电陶瓷特性的新方法.该方法采用非平衡Michelson扫描干涉仪对光纤光栅传感信号进行相位解调,通过观测波长漂移引起的相移,从而获得压电陶瓷的位移量与所加电压间的关系.实验分析了迟滞特性和蠕变现象,得到了压电陶瓷的电压-位移特性曲线以及蠕变特性曲线.实验表明,光源功率的波动对压电陶瓷迟...     

用光纤光栅传感器研究压电陶瓷的特性

提出了一种利用光纤光栅传感器研究压电陶瓷特性的新方法.该方法采用非平衡Michelson扫描干涉仪对光纤光栅传感信号进行相位解调,通过观测波长漂移引起的相移,从而获得压电陶瓷的位移量与所加电压间的关系.实验分析了迟滞特性和蠕变现象,得到了压电陶瓷的电压-位移特性曲线以及蠕变特性曲线.实验表明,光源功率的波动对压电陶瓷迟滞特性不能造成影响且压电陶瓷的蠕变特性与电压方向无关.     

分布反馈光纤激光器水听器设计与实验

为验证分布反馈光纤激光器水听器具有抗干扰强、动态范围大、灵敏度高等独特优点,进行了该水听器的系统设计,并给出分布反馈光纤激光器的输出特性曲线.采用非平衡M-Z光纤干涉仪进行分布反馈光纤激光器水听器的解调,结合工作点扫描和控制的测量方法,利用压电陶瓷相位调制器来进行相位补偿,使系统稳定工作在最灵敏处.采用制作的光纤干涉仪,搭建室内水听器模拟对比实验,通过扬声器产生1.34 KHz和7.24 KHz的高频周期激励信号,以及对水听器进行敲击激励,分析水听器的响应.进行了激光器水听器和压电水听器低频频响特性对比测试,实验得出光纤激光器水听器的光电探测输出信号的信噪比高,可以准确、可靠地反映原始声信号.     

基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变解调方法

提出并实验验证了一种基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变传感器解调方法,该方法综合了光纤法布里-珀罗干涉技术和匹配光纤光栅滤波法的优点.通过半导体制冷片和压电陶瓷组成的闭环负反馈控制系统,精确调节匹配光栅法布里-珀罗干涉仪的温度和应变,有效解决了光栅法布里-珀罗干涉仪的失配问题,从而保证系统静态工作点处于最佳匹配位置,同时能够避免探头因环境温度波动导致的测量误差.实验结果表明,该系统能够响应50~800 Hz的输入信号,应变最小分辨力至少为0.4 nε/Hz^1/2,解调灵敏度高,且不受环境温度波动的影响,因而在动态应变或振动测量中具有较高的实用性.     

一种基于光纤光栅法布里-珀罗腔的低频振动传感器

提出了一种基于光纤光栅法布里-珀罗(F-P)腔的低频振动传感方案并进行了理论分析和实验研究。采用单频激光器作为光源,光纤光栅F-P腔通过两点涂胶方式粘接在等强度悬臂梁上,待测振动信号通过支架和悬臂梁将振动作用传至光纤光栅F-P腔,引起腔长周期性变化,从而改变光纤光栅F-P腔的反射光谱特性,通过解调输出光信号的振荡频率和峰值,即可实现对振动信号频率和幅值的测量。利用压电陶瓷模拟的低频振动信号进行了实验验证,测量结果与理论分析相吻合。该传感器测量灵敏度高,特别适用于微弱振动信号的测量。     

基于虚拟仪器的压电陶瓷驱动技术研究

针对压电陶瓷驱动器的非线性应变,以压电陶瓷微位移驱动原理为基础,分析了扫频激光器腔长控制原理;在硬件时钟的定时下,分析了压电陶瓷的驱动特性,并通过调整驱动信号的步长电压来调节压电陶瓷的非线性。设计了基于虚拟仪器的控制系统,并对线性化方法进行了原理分析和实验。实验结果表明,该测量系统可以使压电陶瓷在其伸长范围内线性地伸长。     

基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变解调方法

提出并实验验证了一种基于匹配光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的应变传感器解调方法,该方法综合了光纤法布里-珀罗干涉技术和匹配光纤光栅滤波法的优点.通过半导体制冷片和压电陶瓷组成的闭环负反馈控制系统,精确调节匹配光栅法布里-珀罗干涉仪的温度和应变,有效解决了光栅法布里-珀罗干涉仪的失配问题,从而保证系统静态工作点处于最佳匹配位置,同时能够避免探头因环境温度波动导致的测量误差.实验结果表明,该系统能够响应50～800Hz的输入信号,应变最小分辨力至少为0.4nε/Hz1/2,解调灵敏度高,且不受环境温度波动的影响,因而在动态应变或振动测量中具有较高的实用性.     

新型AFM探针的制备及应用

采用熔拉 -腐蚀复合方法 ,将普通单模石英光纤制成直锥形光纤探针。利用自制工具将探针打弯 ,制成悬臂式光纤探针 ,在AFM上取得了较理想的测试结果。将自制光纤探针和商用硅材料探针获得的两种扫描图像进行了对比 ,分析了悬臂式光纤探针的特点     

Sensitivity analysis of scanning near-field optical microscope probe

In this paper, we study the dynamic modes of a scanning near-field optical microscope (SNOM) which uses an optical fiber probe; and the sensitivity of flexural and axial vibration modes for the probe were derived and the closed-form expressions were obtained. According to the analysis, as expected each mode has a different sensitivity and the first mode is the most sensitive mode of flexural and axial vibration for the SNOM probe. The sensitivities of both flexural and axial modes are greater for a material surface that is compliant with the cantilever probe. As the contact stiffness increases, the high-order vibration modes are more sensitive than the lower-order modes. Furthermore, the axial contact stiffness has a significant effect on the sensitivity of the SNOM probe, and this should be noted when designing new cantilever probes.     

扫描近场光学显微镜探针与光场相互作用的分析

采用时域有限差分方法对镀金属膜光纤探针在近场光探测中对光场产生的扰动和相互作用过程进行了数值分析。选择纳米孔径的隐失场光场和镀金属膜光纤探针建立了近场光探测的理论模型,讨论了探针孔径尺寸、扫描高度等因素对光场探测的影响,以及测量光场与初始光场之间的关系等。研究结果表明,当探针孔径尺寸与待测纳米孔径尺寸相当,探针扫描高度在接近探针孔径尺寸的一半时,测量得到的光场分布数据能够准确描述初始光场分布。     

Two-dimensional scanning probe driven by a solenoid-based single actuator for optical coherence tomography

We propose the two-dimensional scanning probe operating with a single actuator, which is thought useful as a sample probe for optical coherence tomography (OCT). The probe was designed to use a single-body lensed fiber cantilever loaded with an iron-bead and driven by a single-solenoid actuator. Elliptic spiral trace patterns were achieved using off-axis magnetic fields of the solenoid. A three-dimensional OCT image was obtained for a scanning area of 3.8 mm × 3.4 mm at an acquisition speed of 16.7 s/V. Up to 27 Hz B-scan rate, the proposed probe worked well, and 1000 A-scans were made per each B-scan.     

Electroless nickel plating on optical fiber probe

As a component of near-field scanning optical microscope （NSOM）, optical fiber probe is an important factor influncing the equipment resolution. Electroless nickel plating is introduced to metallize the optical fiber probe. The optical fibers are etched by 40% HF with Turner etching method. Through pretreatment, the optical fiber probe is coated with Ni-P film by electroless plating in a constant temperature water tank. Atomic absorption spectrometry （AAS）, scanning electron microscopy （SEM）, and energy dispersive X-ray spectrometry （EDXS） are carried out to characterize the deposition on fiber probe. We have reproducibly fabricated two kinds of fiber probes with a Ni-P film： aperture probe and apertureless probe. In addition, reductive particle transportation on the surface of fiber probe is proposed to explain the cause of these probes.     

镀膜光纤声光相位调制器及压电层反射系数的研究

主要研究镀膜光纤声光相位调制器。介绍了氧化锌镀膜光纤的几何结构，分析了此几何结构压电声光振荡的基本原理，给出了光纤声光相位调制器的等效网络模型，根据此模型得到了声光压电层反射系数，并按实际参数进行了计算机模拟计算。     

一种探针-样品距离的切变力控制新方法

报道了近场扫描光学显微镜(Near-filed Scanning Optics Microscope NSOM)中一种基于切变力的探针 样品间距控制新方法.条形压电蜂鸣器片的上表面电极被沿着中心线分成两半,一半用于驱动,其上施加振荡源谐振频率进行激励,另一半上粘附光纤探针,并利用压电效应作为光纤探针的振幅传感器.当受振动激励的光纤探针由远处逐渐接近样品表面时,由于样品与探针之间的切变力阻尼作用使得探针的振幅减小,通过检测探针振幅的变化可以控制探针与样品的间距.我们建立了一套探针 样品间距探测控制系统并利用该系统获得了CD盘片表面8μm×8μm范围内的切变力形貌图.     

基于光栅应变传感器的纳米测量机探针设计

为了提高纳米坐标测量机探针的测量精度,且能满足对复杂曲面或微结构进行精确测量的要求,提出了一种新颖的基于微探针系统的光纤布拉格光栅(FBG)探针。该探针具有较高灵敏度和可重复性。提出该新型FBG探针,即探针里有一个熔融的球形顶端,FBG作为应变传感器内置在测杆上。介绍了光纤探针的基本原理,并利用有限元软件ANSYS 11对探针的应变分布在轴向和横向载荷两种典型配置分别进行了仿真分析,结果表明仿真分析和理论计算相吻合。通过实验对光纤探针的灵敏度和分辨率分别进行测试。实验结果表明,在轴向载荷条件下,用位移分辨率为1.5 nm的压电换能器对探针进行性能测试,得到光纤探针的测量分辨率为60 nm。即光纤探针具有较高的灵敏度和分辨率,其性能满足实际测量需要。     

Application of a self-sensing conductive probe for Si device imaging

For the evaluation of two-dimensional carrier profiles in semiconductor devices, we have developed a novel form of probe–sensor combined unit that uses an etched tungsten wire as a conductive probe, and commercially available quartz tuning fork as the force sensor. This unit has a self-sensing capability due to the piezoelectric effect of quartz tuning fork, thus obviating optical setup, and its conductivity is higher and more stable than that of conventional metal-coated Si cantilever. In addition, this probe–sensor combined unit is inexpensive and easy to use, when compared to the well-known optical methods of Si-based cantilever vibration detection system. Our scanning probe microscope using this probe–sensor combined unit is able to mapping the capacitive gradient signal (dC/dZ image) and internal damping of quartz tuning fork oscillation (dissipation image) while scanning the sample surface. In this letter, we show the results of visualization of the p–n junction locus of a Si metal–oxide–semiconductor field effect transistor in both dC/dZ and dissipation images.