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

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРА АПЕРТУРЫ БЛИЖНЕПОЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЗОНДОВ ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ СВЕТОВОГО

ПОЛЯ В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ Зыонг Ван Зунг, Ле Зуй Туан, Н.В. Варкентина Научный руководитель - д.т.н., профессор Е.Б. Яковлев

Описан метод лазерной вытяжки ближнепольных оптических зондов (БОЗ) из оптоволокна. Разработана методика регистрации излучения зонда в дальнем поле с расширенным диапазоном регистрируемой освещенности. Распределение освещенности в дальней зоне сопоставлено с качеством зондов.

Введение

Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ), относящийся к семейству зондовых микроскопов, 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. Имено размер апертуры определяет разрешение СБОМ. 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 распределение интенсивности света в дальнем поле связано с параметрами апертуры. Поэтому по распределению светового поля в дальней зоне можно охарактеризировать апертуру БОЗ, что является целью этой работы.

Изготовление БОЗ методом лазерной вытяжки

Изготовление БОЗ из оптического волокна осуществлено на экспериментальной лазерной установке с тороидальным зеркалом (рис. 1). Излучение СО2-лазера, направленное с помощью зеркала на конический элемент, разводится под определенным углом. Далее, отразившись от поворотного зеркала, оно фокусируется тороидальным зеркалом на волокно под прямым углом. Поглощенным лазерным излучением нагревается участок кварцевого волокна. К концам волокна прикладывается растягивающее механическое усилие (груз). При увеличении температуры волокна происходит уменьшение его вязкости, в результате чего происходит его растяжение, диаметр волокна уменьшается вплоть до обрыва и образования острия на концах волокна [4].

На полученные острия волокна должно быть напыленно металлическое покрытие, которое позволяет излучению, введенному в волокно, достигнуть апертуры и выйти через нее. Процесс напыления был осуществлен в вакуумной установке. В качестве металла использован алюминий, имеющей высокий коэффициент отражания в видимом диапазоне. При напылении острие вращается. Оно установлено под углом к потоку испаренного алюминия, чтобы на кончике острия была сформирована апертура.

Лазерное излучение (^ = 680нм) фокусируется с помощью линзы (микрообъектив) и направляется в БОЗ, который находится на расстоянии к от центра ПЗС-матрицы, расположенной перпендикулярно ему (рис. 3). Зонд и ПЗС-матрица расположены в изолированном от света объеме для исключения шумовых сигналов. Результат измерения выведен на экран компьютера.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки «лазерной вытяжки» с равномерным нагревом волокна и перпендикулярной фокусировкой лучей

а) б)

Рис. 2. Заостренное волокно а) - без покрытия и б) - с алюминиевым покрытием

и введенным излучением лазера

Установка и методика измерения распределения излучения зонда в дальнем поле

И

Лазер Линза БОЗ ^^_

ПЗС-матрица

Рис. 3. Схема экспериментальной установки для регистрации излучения от зонда

в дальнем поле

Для расширения диапазона регистрируемых освещенностей и устранения нелинейной световой характеристики ПЗС-матрицы было разработано программное обеспечение, которое основано на регистрации серии фотоснимков пятна рассеяния с переменным временем экспозиции на одном и тоже фотоприемнике, т.е. получении совокупности фотометрических сечений, соответствующих различным уровням равной ос-

вещенности. 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 изофото-метрии с изменяющимся временем накопления [5]. Диапазон регистрации освещенности по данному методу не зависит от протяженности рабочего участка световой характеристики фотоприемника, которая обычно не превышает 102, а зависит от диапазона изменения времени накопления, который не меньше 10 . В экспериментальной установке была использована матричная видеокамера УЛС-135 с диапазоном относительного времени накопления свыше трех порядков (1-2047). При этом распределение света

в дальнем поле регистрируется с отношением «103 -104 по сравнением с

- шт

- 2

« 10 , которое дает приемник.

- шт

Результат измерения

При регистрации распределения интенсивности излучения зонда в дальнем поле, были получены разные картины распределения с особенностями, соответствующими различным зондам. Результаты измерения (рис. 4) позволяют сделать ряд выводов.

• Изгиб острия (зонд 1) оказывает влияние на распределение интенсивности таким образом, что половина картины имеет низкую интенсивность.

• Осажденное на кончике зонда зерно алюминия (зонд 2) дает в распределении яркую точку.

• Эллиптическая апертура приводит на картине распределения интенсивности двух лепестков с повышенной интенсивностью, которые направлены параллельно большому радиусу эллипса (зонд 3).

• Лучшее распределение дает зонд 4, который имеет круглую симметричную апертуру, что проявляется в круглой и симметричной картине распределения.

• Распределение излучения в дальнем поле имеют полосатую структуру. Эти полосы возникают вследствие интерференции волн, идущих из центра и края апертуры, где свет более интенсивный за счет распространения по сердцевине волокна в центре и усиления интенсивности при отражении от алюминия на краю апертуры [6, 7].

Оптический метод определения размера БОЗ по распределению излучения

в дальнем поле

Для определения размера апертуры БОЗ, можно использовать электронный микроскоп, либо тестируя зонд прямо ближнепольном микроскопе по тест-обекту. Оба эти методы требуют сложной и дорогой техники. Более простым методом является метод определения размера апертуры по распределению излучения в дальнем поле [2, 3].

Излучение, проходящее через субволновую апертуру, имеет две составляющие. Первая, соответствующая высокой частоте в пространственном спектре источника, является эванесцентной волной, которая быстро затухает. Вторая, соответствующая низкой частоте в пространственном спектре источника, является излучающей волной, которая может распространяться [8]. Регистрируется излучающая волна и по ее распределению в дальнем поле, вполне возможно определить распределение этой волны в апертуре, т. е. можно определить ее размер.

2)

3)

4)

ш

ЮШШ

Рис. 4. БОЗ и соответственно полученные картики пятна, регистрируемые на расстоянии 4 мм от зонда

Процедура определения размера БОЗ использует программу «ЗЕБРА» и состоит в следующем. Сначала определяется область распределения, которая будет считаться в программе интерферограммой (см. рис. 5). Диаметр этой области определен прямо на картине распределения из пропорционального сравнения с размером ПЗС-матрицы. Он составляет 4.2 мм. Программно приводится масштабирование к величине 100 мм (см. рис. 6), и в этом масштабе выполняется дальнейшая обработка. После преобразо-

вания Фурье (рис. 7) диаметр ядра структуры апертуры зонда по шкале составил 0.008 мм (по уровню 0.2). Итак, с учетом начального масштабирования исходной интерферо-граммы поперечник апертуры зонда (здесь - дифрагирующего отверстия) ё определен как

4 2

ё = 0.008*^— мм = 336нм.

100

Рис. 5. Автоматическая расшифровка координат точек полос квазиинтерферограммы

в программной системе "ЗЕБРА"

38.4 " V ...........

25.6 " ......' /•........ ......|'"("г; 1

12.8 "

0 " Г( ' ч \ г

-12.8 " ) J л Г " I \

-25.6^ -38.4 " ........ \ \ \ М —. J Г)

........... С-Л С """- У

; -У С

•25.6 0 ...... 25 8 0

Рис. 6. Компьютерное моделирование структуры дальнепольного распределения освещенности - аппроксимация функции поверхности значений освещенности

в программной системе "ЗЕБРА"

а) б)

Рис. 7. а) - Компьютерное моделирование структуры светового поля апертуры БОЗ,

б) - профиль функции

Вывод

Показано, что изучение распределения интенсивности излучения зонда в дальнем поле может быть полезным для характеризации БОЗ. С использованием этого распределения определен размер апертуры БОЗ.

Литература

1. Heinzmann D.W. Pohl. Scanning Near-field optical microscopy. // Applied. Physics. A. 1994. V. 59. P. 89-101.

2. Christian Obermuller, Khaled Karrai. Far field characterization if diffracting circular apertures // Appl. Phys. Lett. December 1995, 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. // Оптический журнал. 1998. Т. 65. № 10. С. 49-53.

4. K.A. Atlasov, V.P. Veiko, A.I. Kalachev. Technology Optimization of the Laser - Assisted SNOM - Tips Stretching // Proceedings of SPIE. 2003. V. 5399. P.63-68.

5. Кирилловский В.К., Ле Зуй Туан. Фундаментальные проблемы широкодипазонного исследования электромагнитного излучения и новый подход к разработке методов и аппаратуры// Международный оптический конгресс "Оптика-XXI век". Санкт-Петербург 16-20 Октября 2006 г.

6. Вознесенский Н.Б. Математическое моделирование процессов распространения и дифракции света в наноструктурах // Сборник материалов Всерос. совещания «Зон-довая микроскопия-2000». Н. Новгород. 28 февраля - 2 марта 2000 г. C. 142-146.

7. D.J. Shin, A. Chavez-Pirson, S.H. Kim, S.T. Jung and Y.H. Lee. Diffraction by a subwave-length-sized aperture in a metal plane. // J. Opt. Sco. Am. A. July 2001. Vol. 18, No 7.

8. D. Van Labeke, D. Barchiesi and F. Baida. Optical characterization of nanosources used in scanning near-field optical microscopy // J. Opt. Soc. Am. A. April 1995. Vol. 12. № 4. P. 695 703.