原子力显微镜的探针长度只有几微米长，一般由悬臂梁和针尖组成，主要原理是将原子力介于针尖和试验样品之间，使悬臂光束产生精细位移来测量表面结构的形状，其中常见的距离控制方法是光束除法技术。
探针被放置在悬臂的末端，一般由 si、 sio2、 sin4、纳米管等组成。当探针与样品表面密切接触时，探针与样品之间会产生一个力。力随探头与样品之间的距离而变化，导致悬臂发生弯曲或偏移，用低功率激光照射悬臂的末端，用光电探测器测量被低功率激光反射的光的角度变化。当探针扫描样品表面时，反射光的角度发生变化，光电二级管的二级管电流发生变化。根据测得的初始电流变化可以计算出悬臂梁的弯曲程度或变形程度，并通过计算机输入生成样品的表面三维图像。
探针与被测样品之间的距离保持在纳米尺度上，从测量样品到系统计算的图像。如果距离太大，就无法获得样品表面的信息。如果测试距离太小，会损坏被测试样品的探头和表面，改变样品扫描器垂直方向施加的电压，使样品拉伸，调整探头和被测试样品之间的距离，反过来控制探头和样品之间相互作用的强度，实现反馈控制。