СПЕКТРАЛЬНЫЙ ЗОНД НА ОСНОВЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО

Полезная модель относится к сканирующей зондовой микроскопии и оптической микроскопии ближнего поля и может быть использована для измерения малых вариаций высоты и построения топографических изображений микронеровностей поверхности различных объектов.
Известен зонд для систем оптической микроскопии ближнего поля и атомно-силовой (JP 3796456, кл. G01B 21/30, G01Q 60/06, G01Q 60/22; 2006.), состоящий из стандартного покрытого с одной стороны тонкой (около 100 нм) металлической пленкой кремниевого кантилевера атомно-силового микроскопа с плоской балкой, а также острого выступа, сформированного на конце балки. Зонд содержит сквозное отверстие размером 100-50 нанометров, проходящее сквозь плоский кантилевер и центральную ось выступа на конце кантилевера. Кантилевер освещается лазерным источником со стороны, не содержащей выступ, и подводится в контакт и поверхностью объекта исследований. При сканировании объекта зондом регистрируется интенсивность излучения, прошедшего через сквозное отверстие в кантилевере и рассеянное на микронеровностях топографического профиля объекта исследований.
К достоинствам известного устройства следует отнести возможность одновременного получения топографического и оптического сигналов, что позволяет минимизировать артефакты в полученных изображениях.
Недостатком является относительно высокая стоимость изготовления такого зонда, а также низкая амплитудная чувствительность оптического сигнала при измерении топографического профиля исследуемых объектов и, как следствие, невысокое пространственное разрешение при построении топографических изображений объектов исследования.
Известен также зонд для систем оптической микроскопии ближнего поля (JP 2003207437, кл. G01B 21/30, G01Q 60/02, G01Q 60/10, G01Q 60/16, G01Q 60/18, G01Q 60/22; 2003). Устройство содержит волоконный световод, один конец которого подключается к лазерному источнику излучения, а второй имеет конический выступ. Торец световода, содержащий выступ, покрывается пленкой золота. В этой пленке в точке, соответствующей вершине выступа, формируется сквозная наноразмерная диафрагма диаметром порядка 100 нм. Наноразмерная диафрагма зонда подводится на малое расстояние (10-50 нм) к поверхности исследуемого объекта. Излучение лазерного источника, прошедшее через волоконный световод выходит из диафрагмы в виде нераспространяющегося эванесцентного светового поля, часть которого в результате взаимодействия с поверхностью исследуемого объекта превращается в распространяющееся рассеянное излучение, интенсивность которого при помощи собирающих линз регистрируется фотоприемным устройством. При этом интенсивность этого рассеянного излучения зависит от текущего расстояния между зондом и поверхностью объекта. Таким образом, перемещая зонд по поверхности исследуемого объекта и регистрируя в каждой точке фотоприемным устройством интенсивность излучения, рассеянного объектом, можно получить поточечное оптическое изображение поверхности.
Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- низкую пропускающую способность выходной диафрагмы зонда (не более 1%);
- низкую амплитудная чувствительность при измерении топографического профиля исследуемых объектов и, как следствие, невысокое пространственное разрешение не лучше, чем 100 нм;
- зависимость детектируемого сигнала как от изменения высоты топографического профиля исследуемого объекта, так и от изменения его локальных оптических свойств исследуемых объектов;
- невозможность разделения сигналов, несущих информацию о топографических и локальных оптических свойствах исследуемого объекта.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка зонда нового типа для систем оптической микроскопии ближнего поля, обладающего высоким пространственным разрешением до 30 нм, а также независимостью регистрируемого сигнала от изменения локальных оптических свойств исследуемого объекта.
Поставленная задача решается с помощью заявляемого спектрального зонда, где дополнительно сформирован на расстоянии от 2 до 5 мм от выходного торца входное полупрозрачное металлическое зеркало, служащее для ввода лазерного излучения в интерферометр и вывода спектрального сигнала и позволяющее реализовать в пространстве между входным полупрозрачным и выходным непрозрачным металлическими зеркалами волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо, и, таким образом, обеспечивающее зонду высокую чувствительность и пространственное разрешение.
Техническим результатом заявляемого технического решения является увеличение чувствительности и пространственного разрешения зонда.
Заявляемая конструкция зонда позволяет достичь заявленного технического результата за счет:
- фазовой, а не амплитудной регистрации полезного сигнала;
- независимости фазового сигнала от изменения локальных оптических свойств исследуемых объектов;
- предлагаемой формы зонда в виде волоконного интерферометра Фабри-Перо со стандартным конусообразным выходным непрозрачным металлическим зеркалом с размерами: диаметр основания конуса - 8 мкм, полный угол схождения на конус - 140°-180°. Такая форма зонда обеспечивает высокую добротность интерферометра.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где представлена схема спектрального зонда на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо, где обозначены:
1 - одномодовый волоконно-оптический световод;
2 - полупрозрачное металлическое входное зеркало;
3 - конусообразный выступ;
4 - выходное непрозрачное металлическое зеркало;
5 - наноразмерное отверстие;
6 - источник излучения;
7 - волоконный Y-разветвитель.
8 - анализатор спектра.
Спектральный зонд содержит отрезок одномодового волоконно-оптического световода 1, одна торцевая поверхность которого покрыта  входным полупрозрачным металлическим зеркалом 2, а вторая имеет конический выступ 3, покрытый  выходным непрозрачным металлическим зеркалом 4. В непрозрачном зеркале в точке, соответствующей вершине выступа, формируется сквозное наноразмерное отверстие 5, диаметр может варьироваться в пределах 30-100 нм и определяет пространственное разрешение зонда. Элементы 1-5 в совокупности представляют собой спектральный зонд.
Спектральный зонд на основе волоконного интерферометра Фабри-Перо работает следующим образом.
Интерферометр торцевой поверхностью, содержащей конический выступ с наноразмерным отверстием, подводится на расстояние порядка нескольких нанометров к поверхности исследуемого объекта. Интерферометр через входное  полупрозрачное металлическое зеркало возбуждается посредством подводящего световода при помощи широкополосного лазерного источника излучения 6. Взаимодействие эванесцентного излучения на выходе наноразмерной диафрагмы 5 с поверхностью исследуемого объекта 6, также как и в прототипе, приводит к преобразованию его части в распространяющееся излучение, интенсивность которого может быть зарегистрирована фотоприемным устройством.
Таким образом, заявляемый зонд может работать аналогично прототипу. Однако, в отличие от прототипа, такое взаимодействие излучения на выходе наноразмерного отверстия также приводит к изменению фазы основной волноводной моды, распространяющейся в интерферометре и испытывающей многократное переотражение между двумя зеркалами. Величина изменения фазы линейно зависит от расстояния между диафрагмой и поверхностью объекта и может быть зарегистрирована по величине смещения максимумов спектра отражения интерферометра Фабри-Перо с использованием анализатора спектра 8. Фазовый сигнал, несущий информацию об изменении высоты топографического профиля объекта выводится из интерферометра через входное полупрозрачное зеркало и при помощи волоконного Y-разветвителя 7 направляется на вход анализатора спектра. Таким образом, зонд перемещается на малом расстоянии от поверхности исследуемого объекта, при этом в каждой точке при помощи анализатора спектра записывается спектр отражения интерферометра Фабри-Перо. Сравнения, записанные при сканировании объекта спектров отражения с базовым, записанным в момент, когда зонд находится на большом расстоянии от поверхности объекта исследований, позволяет вычислить величину спектрального смещения, которая линейно зависит от расстояния между зондом и поверхностью исследуемого объекта. Это позволяет картировать изменение высоты поверхностного профиля исследуемого объекта с более высоким, чем в прототипе, пространственным разрешением, которое достигается за счет использования не амплитудной, а фазовой регистрации сигнала, что позволяет увеличить чувствительность, и как следствие, достичь более высокого пространственного разрешения. Спектральное детектирование величины смещения максимумов спектра отражения интерферометра Фабри-Перо, возбуждаемого инфракрасным широкополосным лазерным источником излучения, не подвержено влиянию случайных флуктуаций интенсивности возбуждающего источника, а также изменению локальных оптических свойств исследуемого объекта, что позволяет, в сравнении с прототипом, существенно минимизировать количество артефактов в конечном изображении.
Конусообразный выступ на торцевой поверхности световода выполняется известными методами химического травления. Форма конического выступа может быть охарактеризована двумя параметрами: диаметром основания и полным углом схождения на конус. При изготовлении используемая известная технология химического травления позволяет менять только величину угла схождения на конус, который может варьироваться в пределах 140°-180°. Данный диапазон выбирается из соображений обеспечения необходимой добротности интерферометра Фабри-Перо, требуемой для регистрации минимальных смещений спектра отражения и обеспечения высокой добротности интерферометра Фабри-Перо.
Зеркальные покрытия на торцы волоконного световода могут быть нанесены различными известными методами напыления металлических пленок. Наноразмерное отверстие в выходном зеркале выполняется методом ионно-лучевого травления.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый спектральный зонд отличается от прототипа тем, что позволяет реализовать фазовую регистрацию топографического профиля исследуемых объектов за счет дополнительно сформированного на расстоянии от 2 до 5 мм от выходного торца полупрозрачного металлического зеркала, служащего для ввода лазерного излучения в интерферометр и вывода спектрального сигнала и позволяющего реализовать в пространстве между входным и выходным зеркалами волоконно-оптический интерферометр Фабри-Перо, и обеспечивающего зонду высокую чувствительность и пространственное разрешение.
Волоконный интерферометр Фабри-Перо, используемый в качестве основы для формирования зонда, позволяет преобразовать фазовый сигнал в смещение максимумов спектра отражения, величина линейно зависит от расстояния между зондом и объектом и не подвержена влиянию случайных флуктуаций возбуждающего источника излучения.