Новотный и Хехт, Основы нанооптики

Рис 5 16 Корреляция времени прилета фотонов с вертикальными колебаниями зонда ближ­ него ПО,1Я В технике временной метки фиксируются только те фотоны, которые попадают в периодическое временное окно (затемненные области) с изначально заданной шириной (указаны стрелками)

5.3. Подсветка в дальнем поле и детектирование в ближнем поле

впредыдущем разделе образец локально освещался источником ближнего поля,

аоптический отклик записывлсяя при помощи стандартной оптики дальнего поля.

Вэтом разделе мы рассмотрим обратную ситуацию, когда образец освещается

широким источником, а отклик записывается локально при помощи субволнового

оптического зонда.

5.3.1. Сканирующая туннельная оптическая микроскопия. Сканирующая

туннельная оптическая микроскопия (STOM) [37J, также называемая фотонной ска­ нирующей туннельной микроскопией (PSTM) [38J, формирует группу микроскопов,

осуществляющих детектирование в ближнем поле, а подсветку в дальнем поле. Для

ПО.1светки образца лазерный пучок заставляют испытать полное внутреннее отраже­

ние на дополнительном к образцу объекте. Как правило, это призма или полусфера.

ВОЗНИI<ающая в результате эванесцентная поверхностная волна имеет характерную

.1.1ИНУ распада порядка 100 нм (см. гл. 2). Сходящее на конус стеклянное волокно

без внешней оболочки погружается в эванесцентное поле для локального захвата части света в зонд, где захваченный свет преобразуется в распространяющуюся моду, направляемую к детектору. Такое преобразование аналогично нарушенному полному

внутреннему отражению, обсуждавшемуся в гл. 2. Вопросы изготовления узкона­ прав.lенных волоконных зондов описаны в гл. 6. На рис. 5.17 показана схема базовой установки Использование безоболочечного волоконного зонда имеет как преимуще­ ства. так и недостатки. В качестве преимущества можно отметить тот факт, что

.1иэлектрическиЙ зонд возмущает распределение поля в гораздо меньшей степени,

че~I любой металлический зонд. С другой стороны, пространственная локализация об.lасти (для каждого единичного акта измерения) для диэлектрической головки не так уж мала и плохо определена. Так как головка не является точечным рассеива­

Te.le~1 поля, эффективность собирания света может сложным образом зависеть от особенности трехмерной структуры головки. Тем не менее для слаборассеивающих образцов методом фотонной туннельной микроскопии можно разрешить поперечное

распределение поля с точностью около 100 нм. Прекрасным примером может слу­ жить рис 5.18. На нем с помощью фотонной туннельной микроскопии отражены

эванесцентные поля, возникающие на макроскопических оптических волноводных

структурах. Эти изображения помогают понять и оптимизировать распространение

света во встраиваемых оптических компонентах. Отметим, что безоболочечные зонды

\югут создавать очень серьезные артефакты при визуализации сильнорассеивающих

образцов, вследствие того что поля наиболее эффективно проникают в волокно

верхней части зонда, а не его концевой части (см. гл. 6).

Амплитуда и фаза полученных распределений поля

Уникальным свойством фотонной туннельной микроскопии является возможность измерять не только усредненные по времени интенсивности ближнего поля. но также

и их амплитуду и фазу [41]. Такие измерения можно сделать даже времяразрешенны­ ми при помощи гетеродинного интерферометра [42]. Экспериментальная установка

для такого типа измерений показана на рис. 5.20. Частота света wo в ОПОРНО~I

плесе сдвинута при помощи акустооптической модуляции на величину дw. Сигнал

записывается при помощи волоконной головки, а соответствующее поле может быть

представлено в виде [41]

+-----+-- _ .. Синхрон.

Амплитуда Фаза

ПОГJIотитель

пучка

Рис 5.20 Объединение методом фотонной туннельной микроскопии и времяразрешенной гетеродинной интерферометрии Свет лазерного источника постоянной частоты разделяется на опорный и сигнальный пучки В опорном пучке частота сдвигается при помощи аку­ стооптического модулятора (АОМ). Далее в опорный пучок вносятся линии задержки Д.1Я осуществления времяразрешенного гетеродинирования. Сигнальный пучок испытывает полное

внутреннее отражение на призме, создавая эванесцентное поле, освещающее интересующую

нас структуру Эванесцентное поле может также быть создано путем заведения сигнаJ1ЬНОГО пучка в волновод. При помощи острого волоконного зонда эванесцентное поле. существующее

над поверхностью образца. направляется на светоделительную пластину. где поле образuа интерферирует с опорным полем Результирующий сигнал проходит синхронный усилите.1Ь

и анализируется

Здесь As(x, у) и A R представляют собой действительные амплитуды сигнального и опорного пучков соответственно. Величина Фs(х, у) означает относительную фазу

оптического сигнала в образце. Как амплитуда, так и фаза зависят от положения

волоконной головки. Слагаемые Bs и BR означают постоянные сдвиги фаз, обуслов­

ленные разностью оптических путей опорного и сигнального пучков Поле образца

интерферирует с опорным полем и направляется на фотодетектор. Результирующий

Такои сигнал имеет постоянную компоненту и компоненты, осциллирующие на

частоте БЦ). И амплитуда, и фаза сигнала содержат важную информацию. Получить

ее можно на двухвыходном синхронном усилителе, настроенном на частоту 8Ц).

В СJlучае импульсного излучения интерференция возникнет, только если сигнальный

и опорный пучки достигают детектора одновременно. Таким образом, варьируя время

задержки т, можно отслеживать прохождение импульса через интересующую нас

структуру [42].

Рис 521 Распределение поля вблизи SiзN4-волновода. Линейно поляризованный свет заво­ дится в lI.анальныЙ волновод и возбуждает ТАfоо-моду а - Топография, выполненная при

помощи поперечно-силового резонатора 6 - Распределение амплитуды поля. в - Косинус

измеренного распределения фазы Заимствовано из [40]

,------

-----=

на.lИчие несколькил сингулярностей в - Область, выделенная квадратиком на рис (6) слева. Сингулярность фазы имеет топологический индекс +1 г - Область, выделенная квадрати­

КО:>.I на рис (6) справа Сингулярность фазы имеет топологический индекс -1. Заимствовано из [40]

На рис. 5.21 показан результат гетеродинных интерферометрических измерений на волноводе с сердцевиной SiзN4. Топография показана на рис. 5.21, а, а интенсив­ ность поля, полученная при зондировании, - на рис. 5.21, б Для возбуждения в волноводе ТА100-моды использовался линейно поляризованный свет. Фаза. получен­ ная на синхронном усилителе, представлена на рис. 5.21, в, где для удобства показан косинус фазы, что позволяет избежать особенностей при 00 -+ 3600. Как и следовало ожидать, в случае чистой ТА!оо-моды фазовые фронты представляют собой прямые

линии, ориентированные перпендикулярно оси волновода.

Результат второго эксперимента, связанного с первым, показан на рис. 5.22. Здесь возбуждаются одновременно ТЕ- и ТJ\;!-моды. Это приводит К возникновению эффекта биений (рис. 5.22, а) между двумя сонаправленными модами с одинаковыми

частотами, но различными длинами волн [41]. На рис. 5.22, б показан измеренный

фазовый портрет. Особенности в фазовых кривых отмечены белыми квадратиками. в увеличенном масштабе они показаны на рис. 5.22. в. Указанные особенности

возникают, когда суммарная амплитуда мод становится равной нулю, а фаза -

неопределенной (фазовые сингулярности).

5.3.2. Многомодовая оптическая микроскопия БJlижнего ПОJlЯ. Кроме ис­ пользования безоболочечных головок, в фотонной туннельной микроскопии могут

применяться апертурные зонды [43]. И хотя в такой конфигурации эффективность

собирания света ниже, она позволяет отсечь рассеянные поля, проникающие в верх­

ние части волоконной головки. На самом деле, когда используется апертурный

зонд, возбуждение эванесцентным полем не является непреложным требование~1 и может осуществляться любым полем, например сфокусированным лазерным поле~1

(см. рис. 5.23). Ранние эксперименты по ближнему полю действительно производи­ лись в этой геометрии [44], но впоследствии она применялась реже. Причин TO~IY

несколько. Во-первых, наблюдалось сильное влияние головки на измеряемый сигна.l

ближнего поля (эффекты «тени.).

.

~...

Рис 5.23 Многомодовая SNOM. образец освещается сфокусированным лазерным ПУЧКО~I в геометрии на отражение или на прохождение. Для локального детектирования оптичеСI\ОГО сигнала, исходящего от образца ближнего поля, используется апертурный зонд Сигна"

записывается при помощи детектора, находящегося на противоположном конце волокна

Во-вторых, эффективность собирания света апертурным зондом с неБОЛЬШИ~1 углом раскрытия довольно низкая, что требует высокой интенсивности подсветки для возникновения сигнала. И, в-третьих, высокие дозы облучения на большом простран-

информации. Для преодоления трудностей, связанных с низкой пропускной способ­

ностью, можно использовать дополнительное локальное усиление поля

Первые варианты микроскопа ближнего поля, работающего в режиме ~двойного

прохода», были созданы пионерами оптики ближнего поля У. Фишером (И. Fischer)

и Д. В. Полем (D. W. Pohl) в 1988 г. [491. в схеме, представленной на рис. 5.25.

субволновая апертура в металлическом экране освещается волноводной модой. соз­

даваемой в стеклянной пластине. Свет, рассеянный апертурой, записывается как

щается волноводной модой. возникающей в стеклянной пластине Рассеяние от апертуры записывается как функция ее локального окружения Справа' отсканированное проекционное изображение латексной сферы, обладающее субволновым масштабом детализации Заимствовано из (49).

функция расстояния между апертурой и образцом, а также эффективного показате.1Я

преломления среды, непосредственно окружающей апертуру. Из рис. 5.25 становится

понятно, что с помощью микроскопа такого типа можно получить оптическое изоб­

ражение высокого разрешения.

5.5. Другие схемы: микроскопия на основе переноса энергии

В микроскопии на основе переноса энергии ближнепольное взаимодействие ~lеж.1У

зондом и образцом возникает за счет диполь-дипольного взаимодействия в резонанс­

ном переносе энергии флуоресценции (РПЭФ) 1) или В эффекте локального гашения

флуоресценции. По существу, в любом типе микроскопа имеют место такие взаи­

модействия, что физические свойства образца испытывают влияние его окружения. например присутствия локального зонда. Очень часто это обстоятельство является

нежелательным эффектом, но оно может быть обращено, наоборот, и на ПОJ1ЬЗУ

Здесь мы обсудим экспериментальные схемы, которые явно учитывают этот тип взаимодействий.

Металлическую головку мы можем использовать не только для усиления локально­ го поля, но и для локального гашения флуоресценции. На самом деле эти два процесса связаны между собой, и часто бывает трудно использовать только один из них. На.1И­

чие металлической наноструктуры вблизи локального источника ближнего поля. тако­

го, например, как одиночная молекула, обычно существенно увеличивает вероятность

безызлучательного распада посредством обмена энергией между электронами метаЛ.lа

(см. разд. 8.5). Переданная энергия полностью переходит в тепло. На левой картинке рис. 5.26 показана экспериментальная установка для микроскопии ближнего по.1Я.

основанной на локальном гашении флуоресценции [341. Она состоит из aTO~IHO-

') В оригинале fluorescence resonance energy transfer (FREr) - Примеч пер