论文题目: 原子力与光子扫描隧道组合显微镜功能性样机
论文类型: 博士论文
论文专业: 光学工程
作者: 章健
导师: 吴世法
关键词: 原子力显微镜,光子扫描隧道显微镜,数字信号处理器,轻敲模式
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 扫描探针显微镜(SPM)当前的发展趋势是功能复合化和数字化。原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)就是一种数字化的兼有原子力显微镜(AFM)和光子扫描隧道显微镜(PSTM)功能的新型SPM。 一般(单光束)的PSTM在成像中,存在假象和样品光学图像与形貌图像难于分离两个困难。根据吴世法教授提出的解决这两个难题的概念设想,本人负责申请并获得国家自然科学面上青年科学基金:“AF/PSTM光纤尖共振调制成像模式”项目(原博士论文的开题报告)。通过对该仪器核心部件—双功能AF/PSTM光纤尖共振策动方案研究,并在国家和学校基金资助下,将课题目标提升为:研制新一代原子力与光子扫描隧道组合显微镜(AF/PSTM)功能性样机。 论文第一部分为绪论,主要介绍了SPM扫描探针显微镜的发展过程和现状,其中重点叙述了原子力显微镜(AFM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)和扫描近场光学显微镜(SNOM)等的基本原理,并阐明了在一般PSTM光学成像上存在假象和光学图像与形貌图像不能分解的两个问题。第二部分讲述AF/PSTM系统理论和总体设计,阐明了PSTM减少假象的原理,AF/PSTM光学信号的分解原理等。这些理论说明,通过使用AF/PSTM双功能弯光纤尖作探针,在共振调制轻敲等振幅成像模式下,AF/PSTM可以同时得到样品的光学折射率、透过率和形貌图像。由此,提出AF/PSTM样机的原理结构,将这些原理作为AF/PSTM系统设计要求的依据,形成了AF/PSTM样机的总体设计。第三部分根据样机的总体设计要求,说明AF/PSTM样机研制中几个重要环节:双功能光纤尖共振调制扫描工作模式,仪器主从式结构设计,PSTM光信号的图像分解的解算实时处理架构,电控主机箱的设计,以及光纤共振峰的搜索等。主从式结构设计可使系统能灵活地实现硬件升级,能较好地贴近商业性样机要求。第四部分介绍AF/PSTM样机研制中的监控软件设计,监控软件负责人机接口、DSP管理及其他模块在内的整个系统管理任务,它作为WINDOWS的应用程序也采用模块化设计,存储的文件格式和国际通用的格式兼容。第五部分详细介绍了DSP卡的设计,通过采用DSP卡,保障了AF/PSTM系统的主一从式结构的运行,同时负责扫描工作的反馈控制和结果上传。DSP卡的设计采
论文目录:
摘要
Abstract
引言
1 绪论
1．1 扫描探针显微镜的发展
1．2 原子力显微镜
1．2．1 AFM的物理机理
1．2．2 AFM的工作原理
1．2．3 AFM的主要优点
1．2．4 AFM的功能拓展
1．2．5 AFM的主要用途
1．3 光子扫描隧道显微镜(PSTM)
1．3．1 分辨率极限与衍射极限
1．3．2 PSTM的物理机制
1．3．3 PSTM工作原理
1．3．4 PSTM的特点
1．3．5 PSTM的应用
1．4 扫描近场光学显微镜(SNOM)
1．5 近场光学理论研究现状
本章小结
参考文献
2 AF/PSSTM的理论基础与总体设计
2．1 AF/PSTM的理论基础
2．1．1 为什磨要求用隐失光成像
2．1．2 图像分解和消假像原理
2．1．3 四介质PSTM平面模型数值模拟
2．1．4 四介质PSTM平面模型光信号特征
2．2 AF/PSTM系统原理性设计要求
2．3 AF/PSTM系统设计
2．3．1 AF/PSTM主机
2．3．2 主机控制DSP卡
2．3．3 AF/PSTM监控计算机
2．3．4 AF/PSTM扫描头框图
2．3．5 光信号处理模块
本章小结
参考文献
3 AF/PSTM样机的研制
3．1 AF/PSTM样机研制先要解决的问题
3．1．1 双功能AF/PSTM光纤共振策动方尖案
3．1．2 光纤尖等振幅检测与反馈方法
3．1．3 光纤尖振幅与尖至样品距离关系(Z- A)特性
3．1．4 自动检测AF/PSTM光纤尖振幅方法
3．1．5 光学信号采集
3．2 主从式结构设计
3．3 主机控制箱设计
3．3．1 主机设计指标
3．3．2 主机硬件框图
3．3．3 主机构成部件
3．3．4 控制箱
3．4 光信号图像分解处理
3．4．1 光信号处理硬件设计
3．4．2 光图像解算软件设计
3．5 相位信号处理
本章小结
参考文献
4 AF/PSTM监控软件的设计
4．1 软件系统的设计思想
4．1．1 功能实现分层
4．1．2 模块化划分
4．1．3 系统参数的硬件定制原则
4．1．4 数据文件格式的兼容性
4．2 软件系统的结构
4．2．1 主控制模块
4．2．2 从系统监控模块
4．2．3 图像显示模块
4．2．4 参数管理模块
4．2．5 辅助功能模块
4．3 轻敲控制模块设计
4．3．1 共振频率选定的意义
4．3．2 搜峰系统的原理
4．3．3 搜峰结构框图
4．3．4 软件流程
本章小结
参考文献
5 DSP卡设计
5．1 DSP卡的硬件设计
5．2 DSP软件设计
5．3 DSP消息设计
本章小结
参考文献
6 结论
6．1 总结
6．2 AF/PSTM样机的主要创新
6．3 考机结果
6．4 FDTD数值模拟验证
6．5 AF/PSTM产业化前景
6．6 改进建议
本章小结
参考文献
创新点摘要
攻读博士学位期间发表学术论文的情况
致谢
附录A: DSP卡消息类型列表
附录B:“原子力与光子扫描隧道组合显微镜研制”科学技术成果鉴定证书(全文)
附录C: 获奖证书
大连理工大学学位论文版权使用授权书
发布时间: 2005-07-04
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