Кремниевая микролинза для ИК-микроскопии

Методы микромеханики позволяют изготавливать миниатюрные зонды и матрицы зондов для сканирующей туннельной микроскопии. А вот группе ученых Станфордского университета удается изготавливать миниатюрные кремниевые твердоиммерсионные микролинзы (диаметром 15 мкм и эффективной числовой апертурой 2.5) для ИК-микроскопии ближнего поля. Применяя эти микролинзы, удается увеличить предел разрешения до на длине волны 9.3 мкм. Кроме того, кремниевая микролинза позволяет увеличить пропускание в тысячу раз в сравнении с простой металлической апертурой при равном разрешении. В диапазоне ближнего и среднего ИК-излучения кремний обладает высокой прозрачностью и высоким показателем преломления (n=3.4). Линза вместе с несущей микроконсолью изготовлена из слоя кремния на пластине кремний-на-изоляторе.

Рис.1. Кремниевая микролинза

Сферическая поверхность линзы воспроизводится со средним квадратичным отклонением менее 5% при средней шероховатости меньше 5 нм. Точка фокуса линзы на 3 мкм ниже ее геометрического центра. Небольшие размеры линзы приводят к существенному снижению сферической аберрации. Конструкция линзы позволяет точно задавать ее положение на расстояниях ~200нм до поверхности образца для достижения оптимальных разрешения и светопропускания. Для линз с большими размерами (~1 мм) это сложно обеспечить из-за трудности удержания линзы в горизонтальной плоскости и неоднородности фокусировки образцов со сложной топографией. Используя кремниевую микролинзу и СO₂ лазер (=9.3 мкм) сотрудники Стэнфорда замерили размер сфокусированного пятна, определили степень пропускания и сделали фотосъемку изображения. Луч лазера фокусировался отражательным объективом (числовая апертура 0.45) на твердоиммерсионную линзу (рис.2). Платформа с пьезоэлектрическим приводом сканировала проходящий поток в трех измерениях. Удалось уверенно разрешить круглые отверстия диаметром 1 мкм в пленке из хрома (50 нм) и золота (50 нм) на подложке GaP, удаленные друг от друга на расстояние 3 мкм.

Рис.2. Схема эксперимента с кремниевой микролинзой

Проходящий свет собирался другим отражательным объективом и попадал на охлаждаемый датчик из HgCdTe. Установлено, что твердоиммерсионная линза в 25 раз увеличивает мощность светового потока в центре пятна. Размер его оценивается в 1.8 мкм, что соответствует разрешению в /5 и эффективной числовой апертуре 2.5, т.е. минимальному теоретическому уровню для кремния при угле падения 47^o (числовая апертура в воздухе 0.74). Без кремниевой линзы полная ширина пятна (на уровне половины максимальной мощности) составляла 10.6 мкм, т.е. размер пятна уменьшается почти в 6 раз. По оптическому пропусканию кремниевая твердоиммерсионная линза превосходит в тысячу раз простую апертуру с диаметром 1.8 мкм, имеющую равное разрешение. Линзы, изготовленные методами микротехнологии, могут применяться для улучшения разрешения и уровня оптического сигнала в ИК-термометрии и спектроскопии. Линзы столь небольших размеров из традиционно поглощающих материалов тоже будут заметно пропускать и позволят использовать более широкий диапазон длин волн.

Appl. Phys. Lett., 2000, 77, p.2109

Источник: ПЕРСТ-перспективные технологии, нанотрубки, фуллерены