Определение конфигурации апертуры ближнепольных оптических зондов по распределению светового поля в дальней зоне

6. Ахманов С. А., Никитин С. Ю. Физическая оптика. М.: Изд-во МГУ, 1998. C. 82.

7. Poleshchuk A. G. Diffractive light attenuators with variable transmission // J. Modern Optics. 1998. Vol. 45. P. 1513—1522.

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

лазерных технологий 26.12.07 г. и экологического приборостроения

УДК 535.211

Е. Б. Яковлев, В. П. Вейко, В. К. Кирилловский, А. О. Голубок,

Д. Т. Ле, З. Зыонг

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНФИГУРАЦИИ АПЕРТУРЫ БЛИЖНЕПОЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЗОНДОВ ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ СВЕТОВОГО ПОЛЯ В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ

Описан метод лазерной вытяжки ближнепольных оптических зондов из оптоволокна. Разработан метод регистрации излучения зонда в дальнем поле с расширенным диапазоном регистрируемой освещенности. Распределения освещенности в дальней зоне сопоставлены с качеством зондов.

Введение. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ), относящийся к семейству зондовых, работает на основе сканирования образца источником оптического излучения с размерами, меньшими длины волны света. Этим источником является зонд — заостренное оптическое волокно с металлическим покрытием. Металлом не покрывается вершина острия (апертура зонда). В СБОМ фактором, который определяет его максимально возможное разрешение, является качество используемого зонда. Именно размер острия зонда (апертура) определяет разрешение СБОМ, значение которого порядка диаметра острия зонда. Более того, основными характеристиками являются не только размер диафрагмы, но и оптическое пропускание, а также качество металлического покрытия, формирующего апертуру [1].

Известно [2, 3], что характер распределения интенсивности света в дальнем поле связан с параметрами апертуры. Поэтому по дальнему световому полю можно охаракте-ризировать апертуру ближнепольных оптических зондов (БОЗ), что является целью настоящей работы.

Излучение, проходящее через субволновую апертуру, имеет две составляющие: первая, соответствующая высокой частоте в пространственном спектре источника, является эванесцентной волной, которая быстро затухает. Вторая составляющая, соответствующая низкой частоте, является излучающей волной, которая может распространяться [4]. Регистрируется излучающая волна, и по ее распределению в дальнем поле вполне возможно рассчитать распределение этой волны в апертуре, с помощью чего можно установить ее размер.

Проблема состоит в том, что для восстановления светового поля в плоскости апертуры нужно знать распределение дальнего поля на всей плоскости. Конечно, регистрация не может быть проведена на всей плоскости — это и не требуется, поскольку интенсивность излучения при большом угле имеет столь малое значение, что им можно пренебречь.

Для регистрации излучения зонда в дальней зоне разработана специальная программа управления ПЗС-матрицей — устройством регистрации, которая расширяет диапазон чувствительности. Это означает, что с использованием программы будет зарегистрирован большой объем информации о распределении интенсивности в дальней зоне. Поэтому будет восстановлено световое поле в плоскости апертуры.

Изготовление БОЗ методом лазерной вытяжки. Изготовление БОЗ из оптического волокна осуществлялось на экспериментальной лазерной установке с тороидальным зеркалом. На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки „лазерной вытяжки" с равномерным нагревом волокна и перпендикулярной фокусировкой лучей. Излучение СО2-лазера, отразившись от конического элемента и поворотного зеркала, под прямым углом фокусируется тороидальным зеркалом на волокно. Лазерным излучением нагревается участок кварцевого волокна. К концам волокна прикладывается растягивающее механическое усилие (груз). При повышении температуры волокна снижается его вязкость, в результате чего происходит растяжение, диаметр волокна уменьшается вплоть до обрыва и образования острия на концах волокна [5].

Рис. 1

На полученные острия волокна должно быть напылено металлическое покрытие, которое позволяет излучению, введенному в волокно, выйти через нее. Напыление было осуществлено в вакуумной установке. В качестве металла использован алюминий, имеющий высокий коэффициент отражения в видимом диапазоне. При напылении острие, установленное под углом к потоку испаренного алюминия (чтобы на кончике острия была сформирована апертура), вращалось. На рис. 2 приведено заостренное волокно: а — без покрытия, б — с алюминиевым покрытием и введенным излучением лазера.

а) б)

Рис. 2

Методика измерения распределения излучения зонда в дальнем поле. Лазерное излучение ( ^ = 680 нм ) фокусируется с помощью линзы (микрообъектив) и направляется в БОЗ, который находится на расстоянии h от центра ПЗС-матрицы, расположенной перпендикулярно ему (рис. 3). Зонд и ПЗС-матрица расположены в закрытой коробке с целью ликвидации всяких шумовых сигналов, результаты измерений выводятся на экран компьютера.

Для расширения диапазона регистрируемых освещенностей и учета нелинейной световой характеристики ПЗС-матрицы было разработано программное обеспечение, основанное на регистрации серии фотоснимков пятна рассеяния с переменным временем экспозиции на одном и том же фотоприемнике, т.е. получении совокупности фотометрических сечений, соответствующих различным уровням равной освещенности. Из каждого фотометрического сечения формируется фигура с четким контуром, которая называется изофотой. Из системы изофот можно получить карту распределения освещенности в дальнем поле. Такой метод назван методом изофотометрии с изменяющимся временем накопления [6]. Диапазон регистрации освещенности по данному методу (не меньше 10) не зависит от протяженности рабочего участка световой характеристики фотоприемника, которая обычно не превышает 10 , а зависит от интервала изменения времени накопления. В установке (рис. 3) использована матричная видеокамера VAC-135 с диапазоном относительного времени накопления свыше трех порядков (1—2047). Распределение света в дальнем поле регистрировалось с отношением

Imax/1mm ~ 103—104 по сравнению с Imax/Imin~102, которое дает приемник.

Лазер Линза боЗ -_

ПЗС-матрица

Рис. 3

Результат измерения. При регистрации распределения интенсивности излучения зонда в дальнем поле (рис. 4) были получены картины распределения (справа) с особенностями, соответствующими различным зондам (слева); расстояние от плоскости регистрации до зонда — 4 мм.

Из рис. 4 можно сделать следующие выводы:

— изгиб острия (а) приводит к формированию несимметричного распределения интенсивности;

— осажденное на кончике зонда зерно алюминия (б) дает в распределении яркую точку;

— эллиптическая апертура приводит к появлению на картине распределения интенсивности двух лепестков с повышенной интенсивностью, которые направлены параллельно большому радиусу эллипса (в);

— лучшее распределение дает зонд г, который имеет круглую и симметричную апертуру, что проявляется в круглой и симметричной картине распределения.

Распределение излучения в дальнем поле имеет полосатую структуру. Эти полосы возникают вследствие интерференции волн, идущих из центра и края апертуры [7, 8].

г)

%

Рис. 4

Метод вычисления размера БОЗ по распределению излучения в дальнем поле. Как

уже было сказано, БОЗ определяет разрешение и качество изображения, полученного в ближ-непольном оптическом микроскопе. Поэтому необходимо знать параметры его апертуры.

Для определения размера апертуры БОЗ можно использовать электронный микроскоп либо тестировать зонд непосредственно на ближнепольном микроскопе путем сканирования тест-объекта. Оба метода требуют сложной и дорогой техники.

Более простым является метод вычисления размера апертуры по распределению излучения в дальнем поле. Распределение на плоскости апертуры зонда можно получить из распределения интенсивности в дальней поле с помощью обратного фурье-преобразования.

Однако для получения полной информации о световом поле в плоскости апертуры нужно знать полное распределение комплексной амплитуды (амплитуда и фаза) светового поля в дальней зоне. Поскольку размер апертуры меньше длины волны, можно допустить, что волна, падающая на апертуру, — плоская, а выходящая незатухающая — сферическая. Зная расстояние от зонда до плоскости ПЗС-матрицы, можно рассчитать запаздывание фазы в каждой точке, т.е. определить распределение фазы на плоскости ПЗС-матрицы. Тогда из распределения интенсивности можно вычислить распределение амплитуды в дальней зоне. Результат восстановления светового поля в плоскости представлен на рис. 5 (а — распределение интенсивности в дальней зоне; б — распределение интенсивности незатухающей волны в плоскости апертуры; в — результат восстановления профиля светового пятна в плоскости апертуры).

а) ^ННН^^^^^В в) ~

7

ш

б)

200 мм

Рис. 5

Для сравнения различных методов контроля размера апертуры БОЗ на рис. 6 представлены электронно-микроскопическая фотография (а), трехмерное изображение (б), полученное с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) КапоЕёиеа1;ог, и сечение пятна светового поля в плоскости апертуры (в). Видно, что результаты измерений одинаковы--320 нм.

нм

а)

\ У /

\ л /

500 нм

в) ~

0,8

0,4

0

400 200

0 У, нм

т

200

Рис. 6

Реализован оптический метод определения размера апертуры БОЗ. Распределение интенсивности излучения зонда в дальней зоне, регистрируемое по новой методике, содержит количество информации, достаточное для восстановления светового поля в апертуре. Использование заостренного волокна в качестве зонда СЗМ КапоЕёиса1»г для сканирования тест-объектов с целью контроля параметров острия по получаемым изображениям дало аналогичные остальным результаты.

Работа проведена при поддержке гранта на ведущую научную школу Российской Федерации (госконтракт № 02.512.11.2136).

1. Pohl D. W. Scanning Near-field optical microscopy // Appl. Phys. A. 1994. Vol. 59. P. 89—101.

2. Obermuller Ch., Karrai Kh. Far field characterization if diffracting circular apertures // Appl. Phys. Lett. 1995. Vol. 67 (23). P. 3408—3410.

3. Вейко В. П., Вознесенский Н. Б., Гусев А. Е., Иванова Т. В., Родионов С. А. Возможность определения параметров вторичных источников света, меньших длины волны, по характеристикам дальнего поля // Оптич. журн. 1998. Т. 65, № 10. С. 49—53.

4. Labeke D. Barchiesi Van D., Baida F. Optical characterization of nanosources used in scanning near-field optical microscopy // JOSA. A. 1995. Vol. 12, N 4. P. 695—703.

5. Atlasov K. A., Veiko V. P., Kalachev A. I. Technology Optimization of the Laser-assisted SNOM — Tips Stretching // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5399. P. 63—68.

6. Кирилловский В. К., Туан Ле Зуй. Фундаментальные проблемы широкодиапазонного исследования электромагнитного излучения и новый подход к разработке методов и аппаратуры // Сб. тр. Седьмой междунар. конф. „Прикладная оптика". СПб: Уником, 2006. С. 214—222.

7. Вознесенский Н. Б. Математическое моделирование процессов распространения и дифракции света в наноструктурах // Сб. матер. всеросс. совещания „Зондовая микроскопия—2000". Нижний Новгород, 2000.

8. Shin D. J., Chavez-Pirson A., Kim S. H., Jung S. T., Lee Y. H. Diffraction by a subwavelength-sized aperture in a metal plane // JOSA. A. 2001. Vol. 18, N 7. Р. 1460—1464.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

C. 142—146.

Рекомендована кафедрой лазерных технологий и экологического приборостроения

Поступила в редакцию

26.12.07 г.