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KR100486937B1 - 광섬유에 의해 구현된 패브리 페로 공진기와 이를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 측정 및 보정시스템 - Google Patents

광섬유에 의해 구현된 패브리 페로 공진기와 이를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 측정 및 보정시스템 Download PDF

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KR100486937B1
KR100486937B1 KR10-2002-0032558A KR20020032558A KR100486937B1 KR 100486937 B1 KR100486937 B1 KR 100486937B1 KR 20020032558 A KR20020032558 A KR 20020032558A KR 100486937 B1 KR100486937 B1 KR 100486937B1
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cantilever
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signal
atomic force
force microscope
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김재완
엄태봉
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 원자간력 현미경에 관한 것으로 광섬유에서 조사되어 외팔보에서 반사되는 빛의 세기가 외팔보의 변위에 민감하게 변하도록 패브리 페로 간섭계를 구성하여 광섬유와 외팔보와의 거리를 정확하게 측정할 수 있도록 한 것이다.
즉, 본 발명은 단면이 광원의 빔과 외팔보의 반사면에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공된 광섬유와 외팔보의 반사면으로 패브리 페로 공진기를 형성하고 공진기에서 반사되는 신호를 검출하여 외팔보 탐침의 변위를 측정하고 더 나아가서는 외팔보 탐침의 변위변화에 대응하는 보정신호(feedback)를 생성하여 압전소자를 Z축 방향으로 구동시켜 외팔보 탐침의 변위가 일정하게 유지되도록 한 것이다.

Description

광섬유에 의해 구현된 패브리 페로 공진기와 이를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 측정 및 보정시스템{A concave ended interferometric Optical Fiber Sensor for Displacement measurement of Cantilever Probe of Atomic Force Microscope}
본 발명은 시료의 표면상태를 측정하는 원자간력 현미경의 외팔보에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유에 의해 구현된 패브리 페로(Fabry-perot) 공진기와 이를 이용하여 외팔보 탐침(cantilever tip)의 변위를 측정하고, 더 나아가서는 외팔보 탐침의 변위를 일정하게 유지시킬 수 있도록 하는 것이다.
이미 미국에서 등록된 미국특허 제6,032,518호에 기술되어 있는 원자간력 현미경(Atomic force microscope, AFM)은 고분해능의 표면 측정기구이다. 이는 시료의 표면을 검사하는 헤드부분인 외팔보(cantilever) 끝에 부착된 탐침(tip)과 시료 사이의 간격을 수 ㎚(10-9 m)로 일정하게 유지한 상태에서 시료 표면을 주사하고, 시료 표면의 높이 변화에 따른 외팔보의 구부러짐을 이용하여 탐침의 수직(Z축) 방향 이동, 즉 시료 표면의 높낮이를 측정한다. 그리고 시료 표면의 높낮이를 피드백(feedback)신호로 하여 외팔보의 고정부분의 높이를 조절하여 외팔보 휨이 일정하게 유지되도록 하는 것이다.
상기한 원자간력 현미경을 이용하여 탐침의 변위를 측정하는 방법은 원리적으로 2가지로 나눌 수 있다.
도1은 탐침의 변위 측정을 위한 하나의 방법을 설명하기 위한 것으로서, 이는 도시되지 않은 레이저 광원으로부터 조사되어 외팔보(101) 반사면(102)(reflector)에서 반사된 레이저 빔(laser beam)을 광 위치 검출기(position sensing detector)(103)로 검출하여 레이저 빔이 반사되는 위치 변화를 측정한다. 그리고 레이저 빔의 위치 변화를 기초로 하여 외팔보(101)의 휘어지는 각도를 측정하는 것이다.
상기한 방법으로 외팔보(101)가 휘어지는 각도를 정밀하게 측정하기 위해서는 외팔보(101)와 광 검출기(103) 사이의 거리가 멀어야 한다. 이 때문에 원자간력 현미경의 헤드를 소형으로 제작하거나 측정 감도를 높이는데 한계가 있다.
도2는 원자간력 현미경 탐침의 변위 측정을 위한 다른 하나의 방법을 설명하기 위한 것으로서, 도시되지 않은 레이저 광원으로부터 조사된 레이저 빔을 광섬유(203)를 통해 외팔보(201)의 반사면(202)에 조사하고, 광섬유(203) 단면(204)과 외팔보(201) 반사면(202)에서 반사된 빛(레이저 빔)의 간섭을 이용하여 광섬유(203) 단면(204)과 외팔보(201) 반사면(202) 사이의 거리 변화를 측정한다. 이 방법은 원자간력 현미경의 헤드의 크기를 소형으로 제작할 수 있을 뿐더러 원리적으로 높은 분해능을 갖는다.
그러나 실질적으로는 측정된 값이 이론적인 분해능에 미치지 못하고 있는데, 그 이유는 광섬유 단면과 외팔보 반사면이 평행하게 배치되어 있어 외팔보 반사면에 반사되어 광섬유로 되돌아오는 빛(레이저 빔)의 세기가 작기 때문이다.
통상적인 단일모드 광섬유에서 빛이 이동하는 코어(core) 부분의 직경이 수 ㎛(10-6 m)에 불과하기 때문에 외팔보(반사면)에서 산란된 빛이 광섬유로 되돌아오는 확률이 낮고 신호의 세기도 작다. 따라서 광섬유로 되돌아오는 신호는 전기 및 기계적인 잡음에 취약하고 분해능이 저하된다.
상기한 바와 같은 원자간력 현미경에서 연구 개발된 본 발명의 목적은 광섬유 단면을 광원의 빔과 외팔보의 반사면에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공함으로써 외팔보의 휘어지거나 기울어짐에 관계없이 패브리 페로 공진기의 공진 조건을 만족시킬 수 있도록 하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 상기한 패브리 페로 공진기를 이용하여 외팔보에서 반사되는 신호의 크기와 민감도를 높여 광섬유와 외팔보와의 거리를 정밀하게 측정하고, 일정하게 유지할 수 있도록 하는데 있다.
그리고 본 발명의 또 다른 목적은 광원과 광 검출기를 외팔보로부터 분리해서 원자간력 현미경의 헤드를 외팔보와 광섬유만으로 구성해서 소형화할 수 있도록 한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 광섬유에 의해 구현된 패브리 페로 공진기는, 윗면이 반사면으로 이루어지고 밑면에 시료와의 접촉을 위한 탐침이 형성되며 원자간력 현미경 기둥에 고정된 압전소자에 연동해서 헤드 몸체와 함께 Z축 방향으로 이동하는 외팔보(cantilever); 한쪽 끝부분이 레이저 빔을 조사하는 광원에 접속되고 다른 한쪽 끝부분이 상기 광원의 빔과 상기 외팔보의 반사면에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공되고 상기 오목곡면으로 가공된 끝부분이 상기 외팔보 반사면과 소정거리 이격되게 배치된 광섬유; 및 상기 광섬유의 소정위치에 개재된 방향성 커플러를 통해 상기 광섬유 끝부분의 단면에서 반사되는 신호와 상기 외팔보 반사면에서 반사되어 오목곡면으로 가공된 광섬유의 단면을 통해 입사되는 신호를 각각 검출하는 광 검출기(photo diode)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 광섬유와 외팔보는 1∼10 ㎛ 이격되게 배치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 의한 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 측정시스템은, 윗면이 반사면으로 이루어지고 밑면에 시료와의 접촉을 위한 탐침이 형성되며 원자간력 현미경 기둥에 고정된 압전소자에 연동해서 헤드 몸체와 함께 Z축 방향으로 이동하는 외팔보(cantilever); 한쪽 끝부분에 레이저 빔을 조사하는 광원에 접속되고 다른 한쪽 끝부분이 상기 광원의 빔과 상기 외팔보의 반사면에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공되고 상기 오목곡면으로 가공된 끝부분이 상기 외팔보 반사면과 소정거리 이격되게 배치된 광섬유; 상기 광섬유의 소정위치에 개재된 방향성 커플러를 통해 상기 광섬유 끝부분의 단면에서 반사되는 신호와 상기 외팔보 반사면에서 반사되어 오목곡면으로 가공된 광섬유의 단면을 통해 입사되는 신호를 각각 검출하는 광 검출기(photo diode); 및 상기 광 검출기에서 입력되는 두 개의 신호에서 외팔보 변위에 비례하는 오차신호를 구하고 이로부터 광섬유 단면과 외팔보 반사면과의 거리(D) 변화를 구하는 신호 처리기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 광섬유와 외팔보는 1∼10 ㎛ 이격되게 배치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 신호 처리기는 임의로 정해진 기준값과 상기 광 검출기로부터 입력되는 신호 세기와의 오차신호를 구하고, 이를 이용하여 광섬유 끝부분과 외팔보 반사면과의 거리(D)의 변화를 구하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 신호 처리기는 상기 광 검출기로부터 입력되는 신호의 미분값을 구하고, 상기 미분값을 이용하여 광섬유 끝부분과 외팔보 반사면과의 거리(D)의 변화를 연산하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 의한 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 보정시스템은, 윗면이 반사면으로 이루어지고 밑면에 시료와의 접촉을 위한 탐침이 형성되며 원자간력 현미경 기둥에 고정된 압전소자에 연동해서 헤드 몸체와 함께 Z축 방향으로 이동하는 외팔보(cantilever); 한쪽 끝부분이 레이저 빔을 조사하는 광원에 접속되고 다른 한쪽 끝부분이 상기 광원의 빔과 상기 외팔보의 반사면에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공되고 상기 오목곡면으로 가공된 끝부분이 상기 외팔보 반사면과 소정거리 이격되게 배치된 광섬유; 상기 광섬유의 소정위치에 개재된 방향성 커플러를 통해 상기 광섬유 끝부분의 단면에서 반사되는 신호와 상기 외팔보 반사면에서 반사되어 오목곡면으로 가공된 광섬유의 단면을 통해 입사되는 신호를 각각 검출하는 광 검출기(photo diode); 및 상기 광 검출기에서 입력되는 신호에서 외팔보 변위에 비례하는 오차신호를 구하고 이로부터 광섬유 끝부분과 외팔보 반사면과의 거리(D) 변화 및 상기 광섬유 끝부분과 외팔보 반사면이 일정거리를 유지하도록 보정하기 위한 보정신호를 연산해서 출력하는 신호 처리기; 및 상기 신호 처리기에서 출력되는 보정신호에 의해 압전소자를 구동시켜 시료와 외팔보 탐침과의 거리가 일정하게 유지되도록 외팔보와 광섬유의 위치를 Z축 방향으로 조정하는 서보 회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 광섬유와 외팔보는 1∼10 ㎛ 이격되게 배치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 신호 처리기는 임의로 정해된 기준값과 상기 광 검출기로부터 입력되는 신호 세기와의 오차신호를 구하고, 이를 이용하여 광섬유 단면과 외팔보 반사면과의 거리(D) 변화를 연산하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 신호 처리기는 상기 광 검출기로부터 입력되는 신호의 미분값을 구하고, 이를 이용하여 광섬유 단면과 외팔보 반사면과의 거리(D)의 변화를 연산하는 것이 바람직하다.
이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
도3 및 도4를 참조하면, 원자간력 현미경 기둥(11)과 원자간력 현미경 몸체(12)로 구성된 원자간력 현미경(13) 중 원자간력 현미경 기둥(11)의 소정높이에 Z축 방향으로 이동되는 압전소자(9)를 매개로 고정된 헤드 몸체(10)의 일측에는 외팔보(3)의 변위 측정을 위한 광섬유(1)가 아래를 향하도록 고정되어 있고, 상기 헤드 몸체(10)의 밑면에는 원자간력 현미경 몸체(12) 위에 안착되어 있는 시료와의 접촉을 위한 탐침(5)이 구비된 외팔보(3)가 상기 광섬유(1)와 소정거리(D) 이격되게 배치되어 있다.
특히, 외팔보(3)와 대향되게 배치된 광섬유(1)의 단면(2)이광원의 빔과 외팔보(3)의 반사면(4)에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공되어 있고, 상기 외팔보(3)의 윗면이 반사면(4)으로 이루어져 있을뿐더러 상기 외팔보(3)와 광섬유(1) 사이의 이격거리(D)가 1∼10 ㎛ 이기 때문에 광섬유(1)에서 조사되어 외팔보(3)의 반사면(4)에서 산란된 대부분의 빛이 광섬유(1)의 코어부분으로 반사된다.
위와 같이 아주 미세한 힘(nano-newton)에도 휘는 외팔보(3)를 가지는 원자간력 현미경으로 변위를 비접촉, 즉 광학적으로 측정할 때 정밀도를 높이기를 위해서는 광 검출기(PD1)(PD2)로부터 들어오는 신호의 세기가 커야 하고, 진동이나 정렬 등에 민감하게 반응하지 않고 신호를 얻을 수 있어야 하며, 신호의 세기로부터 얻어지는 외팔보(3) 탐침(5)의 변위를 구하기 위한 오차신호가 커야 한다.
상기한 원자간력 현미경에 채용된 단일모드 광섬유에서 직경이 수 ㎛인 코어를 통해 빛을 운반할 때, 광섬유에서 나온 광자는 외팔보(3)와 광섬유(1)에서 반사가 반복적으로 이루어지고, 코어에서 반사될 때에는 일부가 다시 광섬유(1)로 되돌아간다.
이로 인해 두 면, 즉 광섬유(1)의 단면(2)과 외팔보(2)의 반사면(4) 사이를 왕복하는 광자는 광섬유(1) 코어에서 반사되는 횟수가 많을수록 신호의 세기가 커지고, 다중광 간섭이 일어나 정밀한 측정이 가능하다.
통상적으로 두 면이 평면일 경우에는 두 면의 평행정도와 광자의 입사각 그리고 두 면 사이의 거리에 의해 반사 횟수가 결정된다. 즉 광섬유를 나오는 빛은 넓게 퍼지므로 평면에서는 코어에서의 반사 횟수가 크지 못하다. 이에 반해 한 면이 오목거울 형태일 경우에는 두 면 사이의 광자가 항상 두 면 사이에서 왕복 반사를 할 수 있는 안정조건을 만족할 수 있다.
또한, 헤드 몸체(10)와 탄성체인 외팔보(3)를 원자간력 현미경 기둥(11)에 고정하고 있는 압전소자(9)는 Z축 방향으로의 이동으로 원자간력 현미경 몸체(12) 위에 안착된 시료와 헤드, 즉 외팔보(3)와의 거리를 일정하게 유지시키기 위한 것으로서, 일면은 원자간력 현미경 기둥(11)에 고정되어 있고, 다른 일면은 헤드 몸체(10)에 고정되어 있다. 이는 외부에서 가해지는 전압에 의해 길이가 변화해서 시료와 외팔보(3)와의 거리를 조절하는 것이다.
이때 서보 회로부(8)의 제어로 인한 압전소자(9)의 구동으로 압전소자(9)의 길이 변화로 광섬유(1)와 외팔보(3) 사이의 거리가 변화하기도 하지만 외팔보(3) 탐침(5)에 접촉되는 시료에 의해서도 변화하기도 한다. 즉, 시료와 외팔보(3) 탐침(5)이 접촉되면 광섬유(1)와 외팔보(3) 사이의 거리가 좁혀지고 반대로 시료가 외팔보(3) 탐침(5)에서 멀어져 외팔보(3)를 누르는 힘이 없어지면 외팔보(3)가 탄성에 의해 원상태로 돌아와 광섬유(1)와 외팔보(3) 사이의 거리가 일정하게 유지되는 것이다.
상기 단면(2)이광원의 빔과 외팔보(3)의 반사면(4)에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공된 끝부분이 헤드 몸체(10)에 고정된 광섬유(1)의 다른 한쪽 끝부분에는 레이저빔을 조사하는 광원인 레이저 다이오드(LD)가 접속되어 있다. 또한 상기 광섬유(1)의 중간에는 방향성 커플러(directional coupler)(6)를 매개로 광 검출기(photo diode)(PD1)(PD2)가 접속되어 있다.
위의 방향성 커플러(6)는 광섬유의 한 소자로서 두 광섬유를 융착시켜 붙인 것이다. 이 방향성 커플러(6)는 레이저 다이오드(LD)에서 조사된 빛의 일부가 광 검출기(PD2)에 의해 검출되도록 하고, 레이저 다이오드(LD)에서 조사되어 광섬유(1) 단면(2)에서 반사된 빛과 광섬유(1) 단면(2)을 통해 외팔보(3)의 반사면(4)에 조사된 후 반사되어 다시 광섬유(1)의 코어부분으로 입사되는 빛이 광 검출기(PD1)에서 광섬유(1)와 외팔보(3)와의 거리 측정을 위한 신호로서 검출되도록 하는 역할을 한다. 물론, 패브리 페로 공진기에서 반사된 모든 빛이 광 검출기(PD1)에 의해 검출되지 않고 일부는 광섬유(1)를 통해 레이저 다이오드(LD) 쪽으로 전달되게 된다.
상기 광 검출기(PD1)(PD2)와 연결되어 광 검출기(PD2)로부터는 기준신호가 그리고 광 검출기(PD1)로부터는 광섬유(1)와 외팔보(3)와의 거리 측정을 위한 신호가 입력되는 신호 처리기(7)는 상기 기준신호와 측정신호를 처리 및 분석하여 외팔보(3) 변위에 비례하는 오차신호를 구하고 이로부터 광섬유(1) 단면(2)과 외팔보(3) 반사면(4)과의 거리(D) 변화 및 상기 광섬유(1) 단면(2)과 외팔보(3) 반사면(4)이 일정거리를 유지하도록 보정하기 위한 보정신호를 연산해서 출력하는 기능을 한다.
상기 신호 처리기(7)로부터 보정신호를 제공받은 서보 회로부(8)는 헤드 몸체(10)와 외팔보(3) 사이에 개재되어 있는 압전소자(9)를 구동시켜 원자간력 현미경 몸체(12) 위에 안착되어 있는 시료와 외팔보(3) 탐침(5)과의 거리가 일정하게 유지되도록 헤드 몸체(10)와 이에 결합되어 있는 외팔보(3)의 위치를 Z축 방향으로 조정하도록 되어 있다.
여기서, 신호 처리기(7)에서 광섬유(1) 단면(2)과 외팔보(3) 반사면(4)과의 거리(D)의 변화를 연산하는 방법으로는 2가지를 들 수 있다.
먼저, 신호 처리기(7)는 광 검출기(PD1)(PD2)에 의해 검출되는 두 신호(VPD1,VPD2)를 나누어 레이저 다이오드(LD)의 출력의 변화효과를 상쇄하여 레이저 출력이 변화해도 항상 도5의 최대값이 일정하게 만들어 준다.
첫째, 두 개의 광 검출기(PD1)(PD2)에 의해 검출된 신호(VPD1,VPD2)에서 기준값(Vr)을 빼서 패브리 페로 공진기의 길이 변화에 따라 + 또는 -신호, 즉 오차신호를 구하고, 이 오차신호로부터 광섬유(1) 단면(2)과 외팔보(3) 반사면(4)과의 거리(D)를 연산하는 것이 하나의 방법이다.
이때 기준값(Vr)은 도5의 최소값과 최대값 사이의 어느 값이나 가능하나, 중간값을 취하는 것이 바람직하다. 이러한 기준값(Vr)이 변하면 서보 회로부(8)의 제어로 압전소자(9)가 구동되어 패브리 페로 공진기의 길이가 변하게 된다.
도5는 공진차수 1,2의 피크신호를 나타낸 것으로서, 오차신호를 공진차수의 차수에 관계없이 피크신호로부터 구할 수 있다. 여기서, 공진차수는 패브리 페로 공진기의 길이를 나타내고, 해당 길이에서 레이저 다이오드와 패브리 페로 공진기가 공진하는 것을 의미한다. 이러한 공진차수가 1 증가하면 패브리 페로 공진기 길이가 레이저 다이오드(ID)에서 조사되는 빛의 파장의 반만큼 변하는 것을 뜻한다.
하지만, 본 발명은 패브리 페로 공진기의 길이를 일정하기 위한 것이기 때문에 차수는 관계없이 어느 공진차수의 신호를 사용하여도 가능하다.
또한, 다른 방법은 압전소자(9)의 길이를 특정 주파수와 진폭으로 변조하며 상기 광 검출기(PD1)로부터 입력되는 신호(VPD1,VPD2)를 신호처리기(7)에서 록인(Lock-in) 증폭기로 처리하여 미분신호를 구하고 이를 기초로 도6과 같은 오차신호를 구하고, 이 오차신호에 의해 광섬유(1) 단면(2)과 외팔보(3) 반사면(4)과의 거리(D)를 연산하는 것이 다른 하나이다. 물론, 이 경우에는 기준값이 필요 없다.
이하에서는 광섬유(1)와 외팔보(3)와의 거리(D)를 변화를 구하고 이를 기초로 하여 외팔보(3)의 변위를 보정하는 과정을 살펴본다.
레이저 다이오드(LD)에서 나온 레이저 빔(빛)은 방향성 커플러(6)를 통해 광 검출기(PD2)에 의해 검출되어 신호 처리기(7)에 레이저 출력 요동을 보정하는 규격화신호로 제공된다. 또한 광섬유(1)의 단면(2)에서 반사됨과 동시에광원의 빔과 외팔보(3)의 반사면(4)에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공된 단면(2)을 통해 외팔보(3) 반사면(4)에 조사된 후 반사되는 빛은 광섬유(1)의 코어부분으로 입사되어 방향성 커플러(6)를 통해 광 검출기(PD1)에 의해 검출되어 신호 처리기(7)에 거리(D) 변화 측정을 위한 신호로 제공된다.
두 개의 광 검출기(PD1)(PD2)에서 기준신호와 거리(D) 변화 측정을 위한 신호를 인가 받은 신호 처리기(7)는 도5에서와 같이 광 검출기(PD2)로부터 입력되는 레이저 출력신호로 광 검출기(PD1)로부터 입력되는 신호를 규격화하고 미리 정해진 기준 값과의 차이로 오차신호를 구하거나, 패브리 페로 공진기의 길이, 즉 광섬유(1) 단면(2)과 외팔보(2) 반사면(4)과의 거리나 레이저 다이오드(LD)에서 조사된 레이저빔의 파장을 변조하여 광 검출기(PD1)에 의해 검출되어 입력되는 신호를 처리하여 얻은 미분값으로부터 오차신호를 얻는다.
그리고 신호 처리기(7)는 위에서와 같이 구해진 오차신호를 이용하여 광섬유(1) 단면(2)과 외팔보(3) 반사면(4) 사이의 거리(D) 변화를 구한다.
더 나아가서 신호 처리기(7)는 위에서와 같이 구해진 오차를 이용하여 시료와 외팔보(3) 탐침(5)과의 거리를 일정하게 유지하기 위한 보정신호를 생성하여 서보 회로부(8)에 출력하게 된다.
이에 따라 서보 회로부(8)의 제어로 압전소자(9)가 구동되어 외팔보(3)와 광섬유(1)가 Z축 방향으로 이동하여 외팔보(3) 탐침(5)과 시료와의 거리가 일정하게 유지된다.
본 발명에 의하면 외팔보와 대향되게 배치되는 광섬유 단면을 광원의 빔과 외팔보의 반사면에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공함으로써 외팔보가 휘어지거나 기울어지는 것에 관계없이 패브리 페로 공진기의 공진조건을 만족시킬 수 있는 것이다.
또한 본 발명은 상기한 패브리 페로 공진기를 이용하여 외팔보에서 반사되는 신호의 크기와 민감도를 높임으로써 광섬유와 외팔보와의 거리 변화를 정밀하게 측정하고, 외팔보의 변위를 일정하게 유지할 수 있는 것이다.
그리고 본 발명은 광원과 광 검출기를 외팔보로부터 분리함으로써 원자간력 현미경의 헤드를 외팔보와 광섬유만으로 구성해서 소형화할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도1 및 도2는 종래의 원자간력 현미경에서 외팔보 탐침의 변위를 측정하기 위한 구성도이다.
도3,4는 본 발명에 의한 광섬유에 의해 구현된 패브리 페로 공진기와 이를 이용한 외팔보 탐침의 변위 측정 및 보정시스템을 나타낸 구성도이다.
도5는 도3,4의 광섬유에 의해 구현된 패브리 페로 공진기에서 반사된 신호가 공진기 길이에 따라 어떻게 변하는 지를 나타낸 그래프이다.
도6은 도5와 같이 반사된 신호의 미분 값을 나타낸 그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
1 : 광섬유 2 : 단면
3 : 외팔보 4 : 반사면
5 : 탐침 6 : 방향성 커플러
7 : 신호 처리기 8 : 서보 회로부
9 : 압전소자 10 : 헤드 몸체
11 : 원자간력 현미경 기둥 12 : 원자간력 현미경 몸체
13 : 원자간력 현미경 LD : 레이저 다이오드
PD1,PD2 : 광 검출기

Claims (10)

  1. 윗면이 반사면으로 이루어지고 밑면에 시료와의 접촉을 위한 탐침이 형성되며 원자간력 현미경 기둥에 고정된 압전소자에 연동해서 헤드 몸체와 함께 Z축 방향으로 이동하는 외팔보(cantilever);
    한쪽 끝부분이 레이저 빔을 조사하는 광원에 접속되고 다른 한쪽 끝부분이 상기 광원의 빔과 상기 외팔보의 반사면에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공되고 상기 오목곡면으로 가공된 끝부분이 상기 외팔보 반사면과 소정거리 이격되게 배치된 광섬유; 및
    상기 광섬유의 소정위치에 개재된 방향성 커플러를 통해 상기 광섬유 끝부분의 단면에서 반사되는 신호와 상기 외팔보 반사면에서 반사되어 오목곡면으로 가공된 광섬유의 단면을 통해 입사되는 신호를 각각 검출하는 광 검출기(photo diode);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유에 의해 구현된 패브리 페로 공진기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유와 외팔보는 1∼10 ㎛ 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 광섬유에 의해 구현된 패브리 페로 공진기.
  3. 윗면이 반사면으로 이루어지고 밑면에 시료와의 접촉을 위한 탐침이 형성되며 원자간력 현미경 기둥에 고정된 압전소자에 연동해서 헤드 몸체와 함께 Z축 방향으로 이동하는 외팔보(cantilever);
    한쪽 끝부분이 레이저 빔을 조사하는 광원에 접속되고 다른 한쪽 끝부분이 상기 광원의 빔과 상기 외팔보의 반사면에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공되고 상기 오목곡면으로 가공된 끝부분이 상기 외팔보 반사면과 소정거리 이격되게 배치된 광섬유;
    상기 광섬유의 소정위치에 개재된 방향성 커플러를 통해 상기 광섬유 끝부분의 단면에서 반사되는 신호와 상기 외팔보 반사면에서 반사되어 오목곡면으로 가공된 광섬유의 단면을 통해 입사되는 신호를 각각 검출하는 광 검출기(photo diode); 및
    상기 광 검출기에서 입력되는 두 개의 신호에서 외팔보 변위에 비례하는 오차신호를 구하고 이로부터 광섬유 단면과 외팔보 반사면과의 거리(D) 변화를 구하는 신호 처리기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 측정시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광섬유와 외팔보는 1∼10 ㎛ 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 측정시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 임의로 정해된 기준값과 상기 광 검출기로부터 입력되는 신호 세기와의 오차신호를 구하고, 이를 이용하여 광섬유 끝부분과 외팔보 반사면과의 거리(D) 변화를 연산하는 것을 특징으로 하는 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 측정시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 상기 광 검출기로부터 입력되는 신호의 미분값을 구하고, 상기 미분값을 이용하여 광섬유 끝부분과 외팔보 반사면과의 거리(D)의 변화를 연산하는 것을 특징으로 하는 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 측정시스템.
  7. 윗면이 반사면으로 이루어지고 밑면에 시료와의 접촉을 위한 탐침이 형성되며 원자간력 현미경 기둥에 고정된 압전소자에 연동해서 헤드 몸체와 함께 Z축 방향으로 이동하는 외팔보(cantilever);
    한쪽 끝부분이 레이저 빔을 조사하는 광원에 접속되고 다른 한쪽 끝부분이 상기 광원의 빔과 상기 외팔보의 반사면에 반사된 빔을 투과 또는 반사할 수 있도록 오목곡면으로 가공되고 상기 오목곡면으로 가공된 끝부분이 상기 외팔보 반사면과 소정거리 이격되게 배치된 광섬유;
    상기 광섬유의 소정위치에 개재된 방향성 커플러를 통해 상기 광섬유 끝부분의 단면에서 반사되는 신호와 상기 외팔보 반사면에서 반사되어 오목곡면으로 가공된 광섬유의 단면을 통해 입사되는 신호를 각각 검출하는 광 검출기(photo diode); 및
    상기 광 검출기에서 입력되는 신호에서 외팔보 변위에 비례하는 오차신호를 구하고 이로부터 광섬유 끝부분과 외팔보 반사면과의 거리(D) 변화 및 상기 광섬유 끝부분과 외팔보 반사면이 일정거리를 유지하도록 보정하기 위한 보정신호를 연산해서 출력하는 신호 처리기; 및
    상기 신호 처리기에서 출력되는 보정신호에 의해 압전소자를 구동시켜 시료와 외팔보 탐침과의 거리가 일정하게 유지되도록 외팔보와 광섬유의 위치를 Z축 방향으로 조정하는 서보 회로부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 보정시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광섬유와 외팔보는 1∼10 ㎛ 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 보정시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 임의로 정해된 기준값과 상기 광 검출기로부터 입력되는 신호 세기와의 오차신호를 구하고, 이를 이용하여 광섬유 단면과 외팔보 반사면과의 거리(D) 변화를 연산하는 것을 특징으로 하는 상기 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 보정시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 상기 광 검출기로부터 입력되는 신호의 미분값을 구하고, 이를 이용하여 광섬유 단면과 외팔보 반사면과의 거리(D)의 변화를 연산하는 것을 특징으로 하는 패브리 페로 공진기를 이용한 원자간력 현미경에서의 외팔보 탐침의 변위 보정시스템.
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