Квазиоптический зонд для ближнепольного микроскопа

Полезная модель относится к области ближнепольной микроскопии в оптическом, терагерцовом и СВЧ диапазонах и может быть использована при исследовании микрорельефа отражающих поверхностей, например, в кристаллографии и метрологии при изучении высокомолекулярных соединений, в биологии и медицине.
В настоящее время получили развитие ближнепольные микроскопы, работающие в различных частотных диапазонах (Bjorn T. Rosner, Daniel W. van der Weide. High-frequency near-field microscopy // Review of Scientific Instruments, v. 73, N 7, July 2002, рр. 2505-2525), в микроволновом (Ash, E.A Super-resolution aperture scanning microscope / EA. Ash and G. Nicholls // Nature. - 1972/ - v/ 237/ - №5357/ - p. 510-512), терагерцовом (Hunsche S., M. Koch, I Brener, MC. Nuss / THz near-field imaging / Optics Comm. 1998. - v. 150. - №1-6 - р. 22-26; Трухин В.Н., А.В. Андрианов, В.А. Быков, А.О. Голубок, Н.Н. Зиновьев, Л.Л. Самойлов, И.Д. Сапожников, А.В. Трухин, М.Л. Фельштын. Взаимодействие терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом ближнепольном микроскопе / Письма в ЖЭТФ. - 2011. - т. 93. - с. 134-138), инфракрасном (Centore a. Infrared imaging and spectroscopy beyond the diffraction limit / Annu. Rev. Anal. Chem. - 2015. - v. 8. - p. 102-126) и оптическом (Nano-optics: principles enabling basic research and applications / ed. By B.Di Bartolo, J. Collins, L. Silvestri. - Dordrecht: Springer Netherlands, 2017 - 584 p.) диапазонах длин волн.
Известен зонд ближнепольного микроскопа, представляющий заостренный отрезок оптоволокна (Миронов В.Л. Основы сканирующий зондовой микроскопии, Нижний Новгород, 2004, стр. 106; Патент РФ № 2663266 Зонд ближнепольного микроскопа) или сужающегося к концу СВЧ волновода (Nozokido, T., Bae, J., & Mizuno, K. (2001). Scanning near-field millimeter-wave microscopy using a metal slit as a scanning probe // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 49(3), 491-499).
Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность. Повышение локализации электромагнитных волн распространяющихся по диэлектрическому волноводу (оптоволокну), металлического волновода производится сужением поперечных размеров. Однако сужение размеров диэлектрического волновода до размеров соразмеримых и меньших длины электромагнитной волны приводит к потерям электромагнитного излучения за счет обратного отражения, а также излучающихся в окружающее пространство электромагнитных волн.
Известен зонд ближнепольного микроволнового микроскопа, представляющий заостренный металлический отрезок малого диаметра (Roman Kantor and I.V. Shvets. Measurement of Electric-Field Intensities Using Scanning Near-Field Microwave Microscopy // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, V. 51, N. 11, November 2003, p. 2228-2234; Chen Gao, Bo Hu, I Takeuchi, Kao-Shuo Chang, Xiao-Dong Xiang and Gang Wang. Quantitative scanning evanescent microwave microscopy and its applications in characterization of functional materials libraries // Measurement Science and Technology, 6 (2005) 248-260).
Недостатком известного зонда является его низкая эффективность.
Известно устройство на основе коаксиальной линии, представляющее собой резонансный, разомкнутый на конце, коаксиальный кабель с выступающим за пределы коаксиала внутренним проводником, подключенный через разделительный конденсатор и ответвитель к СВЧ генератору. Измерения проводятся при поднесении к разомкнутому концу коаксиального кабеля образца (S.M. Anlage, D.E. Steinhauer, B.J. Feenstra, C.P. Vlahacos, V.C. Welstood. Near-Field Microwave Microscopy of Material properties // Microwave Superconductivity. - Amsterdam. - 2001. - P. 239-269.).
Недостатком известного зонда является его низкая эффективность.
Известен зонд основанный на прохождении электромагнитной волны через субволновую апертуру в непрозрачном экране [Патент РФ 2312381 Оптические волокна, снабженные линзами путем фотополимеризации и оптические компоненты; Bethe H. Theory of Diffraction by Small Holes // Phys. Rev. 1944. Vol. 66, No 7-8. P. 163-182; Ash E.A., Nicholls G. Super-resolution Aperture Scanning Microdcope // Nature. - 1972. - V. 237. - P. 510-512; Mitrofanov O., Lee M., Hsu J.W.P., Brener I., Harel R., Federici J.F., Wynn J.D., Pfeiffer L.N., West K.W. Collection-mode near-field imaging with 0,5-THz pulses // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. - 2001. - V. 7. - No 4. - P. 600-607.]. Это микроскопическое отверстие остается способным излучать или принимать свет в экспериментах по оптической микроскопии в ближнем оптическом поле.
Недостатком известного зонда является его низкий коэффициент пропускания.
Известен зонд на основе оптоволокна, на торце которого размещена фокусирующая излучение сферическая линза [Патент РФ 1332253, Способ изготовления линзы на торце оптического волокна]. Перемещение этого, снабженного линзами, оптического волокна над поверхностью исследуемого объекта позволяет получить оптическое изображение рассматриваемой зоны этого объекта.
Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность, ограниченная дифракционным пределом, который составляет около 200 нм для излучения видимого оптического диапазона. Предельное разрешение обычной оптики определяется дифракционным пределом и не может превышать 1,22 λ/2N (λ - длина волны света, N - показатель преломления).
Наиболее близкий к данной полезной модели квазиоптический зонд для ближнепольного микроскопа, описанный в работе N.V. Chernomyrdin, A.S. Kucheryavenko, G.S. Kolontaeva, G.M. Katyba, I.N. Dolganova, P.A. Karalkin, D.S. Ponomarev, V.N. Kurlov, I.V. Reshetov, M. Skorobogatiy, V.V. Tuchin, and K.I. Zaytsev. Reflection-mode continuous-wave 0.15k-resolution terahertz solid immersion microscopy of soft biological tissues // Appl. Phys. Lett. 113, 111102 (2018); doi: 10.1063/1.5045480, взят за прототип. Зонд для ближнепольного микроскопа включает в себя источник электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, устройство канализации электромагнитного излучения (диэлектрический или металлический волновод, линза или зеркальная антенна), полусферическую линзу, выполненную из диэлектрика с высоким показателем преломления (3,415), диаметром 50λ.
Недостатком известного зонда является его малая разрешающая способность, не превышающая 0,15λ. Кроме того, зонд имеет большие габариты и высокие потери излучения из-за отражения его на границе окружающая среда-материал линзы.
В данной полезной модели была поставлена задача - создать квазиоптический зонд для ближнепольного микроскопа, формирующий узкое фокальное пятно с заданной шириной.
Технический результат - обеспечение фокусировки электромагнитного излучения в область шириной менее дифракционного предела, 0,15λ.
z
Поставленная задача достигается за счет того, что в квазиоптическом зонде для ближнепольного микроскопа, включающем источник электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, устройство канализации электромагнитного излучения, линзу, новым является то, что линза выполнена в виде мезоразмерной частицы, диаметром примерно не менее λ и не более 5λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения, показателем преломления материала мезоразмерной частицы не более 2, а по оптической оси мезоразмерной частицы на ее теневой стороне выполнен канал постоянного сечения с характерным поперечным размером не более d=0,15λ. Кроме того, мезоразмерная частица выполнена сферической формы.
Наличие признаков, отличающих изобретение от прототипа, позволяет сделать вывод о соответствии его критерию «новизна».
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».
На Фиг. 1 представлена блок-схема квазиоптического зонда для ближнепольного микроскопа.
z
На Фиг. 2 приведен пример результатов моделирования квазиоптического зонда для ближнепольного микроскопа с мезоразмерной сферической частицей, из материала с показателем преломления с каналом, выполненным на теневой стороне частицы, различного поперечного размера: d=λ/5; λ/10; λ/40 в различных плоскостях.
Обозначения: 1 - источник электромагнитного излучения; 2 - приемник электромагнитного излучения; 3 - устройство канализации электромагнитного излучения; 4 - мезоразмерная диэлектрическая частица; 5 - канал, расположенный на теневой стороне частицы по ее оптической оси, 6 - область фокусировки.
Считается, что при фокусировке волн любой природы волновая энергия концентрируется в области с поперечным размером, не меньше половины длины волны (Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Гос. изд. Физ.-мат. лит., 1959, с. 377). Величина поперечного разрешения линзы определяется критерием Рэлея (дифракционный предел) (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, 720 с.):
δ≈1,22λF/D,
где λ - длина акустической волны, D - диаметр линзы, F - фокусное расстояние линзы. Для достижения высокого пространственного разрешения необходимо использовать линзы с высокой числовой апертурой.
В сферической (шарообразной) линзе радиуса R, показателя преломления N и с фокусным расстоянием от центра линзы равным F (Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: «Сов. Радио», 1974, 280 с., с. 98-103; Bernhard Schoenlinner, Xidong Wu, Jim P. Ebling, George V. Eleftheriades, and Gabriel M. Rebeiz, Wide-Scan Spherical-Lens Antennas for Automotive Radars // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, V. 50, №9, September 2002, рр. 2166-2175).
Фокусное расстояние F зависит от N, R и приближенно описывается по выражению:
При N>2 область фокусировки находится внутри линзы, а при 1<N<2 вне линзы.
Преодолеть дифракционный предел в оптике, на терагерцах и в СВЧ диапазоне можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006); B. S. Luk'yanchuk,  I. Minin, O. Minin, and Z. Wang, "Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow," Optical Materials Express 7, 1820-1847 (2017)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3…1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы.
При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, цилиндра, диска, куба, пирамиды, при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; И.В. Минин, О.В. Минин. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГиТ, 2017, т 22, №1, с. 212-234].
Известны устройства повышающие пространственное разрешение формирующих устройств на основе фотонных струй. Например, в [M. Wu, B. Huang, R. Chen, Y. Yang, J. Wu, R. Ji, X. Chen, and M. Hong, "Modulation of photonic nanojets generated by microspheres decorated with concentric rings," Optics express 23, 20096-20103 (2015)], состоящее из диэлектрической сферической частицы, формирующей фотонную струю, на освещенную поверхность которой нанесены концентрические кольца с шириной колей 0,655λ и модулирующие падающее излучение. Было достигнуто пространственное разрешение 0,485λ.
x
x
0
0
Для фокусировки электромагнитных волн с поперечным разрешением превышающим критерий Рэлея, необходимо фокусировать электромагнитные волны вблизи раздела двух сред с различными величинами показателя преломления. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные электромагнитные волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению поперечного размера области фокусировки ниже дифракционного предела. Так как электромагнитные поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора k на поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: k>kN, где k=2π/λ - волновое число в среде, N - показатель преломления среды.
В результате математического моделирования было установлено, что для мезоразмерных частиц, например, с показателем преломления равного 1,5, и диаметром не более 5λ, в канале с поперечном размером менее 0,15λ формируется область фокусировки с поперечными размерами порядка поперечного размера канала и превышающая дифракционный предел. При увеличении поперечного размера мезоразмерной частицы увеличивается интенсивность электромагнитного поля в области фокуса. Например, при увеличении размера частицы от 1,5λ до 3,5λ интенсивность поля возрастает в 3.8 раза. При увеличении размера частицы примерно более 5λ фокус раздваивается, и интенсивность поля уменьшается, а эффективность зонда уменьшается. При поперечном размере мезоразмерной частицы менее λ фокусировка излучения не наблюдалась.
Квазиоптический зонд для ближнепольного микроскопа работает следующим образом. Источник электромагнитного излучения 1 (например, лазер, лавинно пролетный диод, лампа обратной волны и т.д.) генерирует электромагнитное излучение, которое через устройство канализации электромагнитного излучения 3 (например, оптоволоконный кабель, диэлектрический или металлический волновод, линза или зеркальная антенна) облучает мезоразмерную частицу 4, в которой выполнен канал 5, расположенный на теневой стороне частицы по ее оптической оси. В результате интерференции волн распространяющихся через мезоразмерную частицу и в канале 5, формируется область фокусировки 6, с поперечными размерами порядка поперечного размера канала. При работе зонда в режиме на отражение, электромагнитное излучение, отраженное от объекта, передается мезоразмерной частицей 4 с каналом 5 в устройство канализации электромагнитного излучения 3 и далее на приемник электромагнитного излучения 2, например, фотоэлектронный умножитель, оптико-акустический приемник, СВЧ детектор и т.д.
Для изготовления сферических линз могут использоваться LFS-станция для создания волоконных шариковых линз (https://sphotonics.ru/catalog/sistemy-dlya-svarki-i-obrabotki-opticheskikh-volokon/lfs/). Станция для массового производства высококачественных шариковых линз на торце оптических волокон. В (Патенте РФ 2312381 Оптические волокна, снабженные линзами путем фотополимеризации и оптические компоненты) приведены новые технологические процессы, позволяющие обеспечить реализацию полимерных пиков на торце многомодового и одномодового оптоволокон.
Изготовление таких систем возможно на 3D нанопринтерах (Mona Mirzaeimoghri, Alejandro Morales Martinez, Alireza Panna, Eric E. Bennett, Bertrand M. Lucotte, Don L. DeVoe, Han Wen Nano-printed miniature compound refractive lens for desktop hard x-ray microscopy (2018) // PLoS ONE 13(8): e0203319. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0203319)
Таким образом, решается задача создания квазиоптического зонда для ближнепольного микроскопа, формирующего узкое фокальное пятно с заданной шириной. По сравнению с прототипом разрешающая способность повышена не менее чем в 6 раз (0,025λ), уменьшены габариты линзы не менее чем в 10 раз, уменьшены потери излучения из-за отражения на границе свободное пространство-материал линзы