Астронет > Преодоление дифракционного предела в оптике

Астронет: СОЖ Преодоление дифракционного предела в оптике
http://variable-stars.ru/db/msg/1176358/text2.html

Преодоление дифракционного предела в оптике

М. Н. Либенсон

Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)Содержание

Предсказываемый формулой (1) быстрый (I ~ a⁶) спад детектируемого сигнала I по мере уменьшения радиуса a диафрагмы или вершины зонда является основной причиной трудности реализации предельного разрешения в БСОМ. На практике чаще всего используют диафрагмы с $a \approx 50$ нм исходя из компромисса между желаемым разрешением и допустимым уровнем отношения сигнал/шум. При этом коэффициент пропускания или эффективность зонда с учетом потерь в конической части перед диафрагмой составляет ~10^-6-10^-4.

Полученные Бёте и позднее несколько уточненные формулы, описывающие распределение поля непосредственно за диафрагмой ( $z \to +0$ ), до настоящего времени остаются единственным строгим аналитическим представлением ближнего поля. В последнее время большое внимание уделяют разработке методов компьютерного моделирования, в которых пространство вблизи вершины зонда разбивается на ряд ячеек и ищется решение электродинамической задачи при распространении возмущения из одной ячейки в другие. Разрешение математических моделей определяется размером ячеек, то есть в конечном итоге разумным временем вычислений, и составляет ~1 нм. Использование методов моделирования позволило наглядно представить структуру поля не только в зазоре зонд-образец, но и в части зонда, примыкающей к вершине и близкой к сечению отсечки основной волноводной моды. Было показано, в частности, что распределение поля в зонде характеризуется наложением сложной системы стоячих волн, возникающих из-за многократных отражений света от стенок конуса.

Применения ближнепольной оптики

Возможность улучшения на порядок и более локальности оптических методов исследования поверхности весьма существенна при решении широкого круга научных и прикладных задач. Анализируя взаимодействие света с неоднородной поверхностью методами обычной оптики, приходится усреднять влияние многих дефектов, находящихся в пределах облучаемого участка. Применение БСОМ облегчает исследование отдельных неоднородностей нанометрового размера. Первым подтверждением этой особенности стало обнаружение одночастичных плазмонов, возбуждаемых светом в металлизированных латексных сферах.

К числу объектов, для которых проблема локальности оптического анализа играет первостепенную роль, относятся гетероструктуры с квантово-размерными свойствами. В них с помощью БСОМ удается не только локализовать отдельные центры люминесценции, что само по себе представляет значительный интерес, но и разделить их спектры. Такие исследования дают ценную информацию как о структурных особенностях системы, в том числе о шероховатости (на атомном уровне) границ раздела, так и о механизме диффузии и распада квазичастиц типа экситонов. Исследования в БСОМ эффекта наведенного фототока позволяют выявлять приповерхностные дефекты в полупроводниковых образцах с разрешением почти на порядок лучше, чем разрешение широко используемых на практике методов OBIC и EBIC (optical / electron beam induced current).

Ближнепольная микроскопия представляет большой интерес для различных биологических исследований. В первую очередь это связано с тем, что с ее помощью (как и с помощью многих других оптических методов) можно изучать биологические объекты без их повреждения и в естественном окружении (in vivo). БСОМ дает контрастное изображение как для прозрачных, так и для отражающих или рассеивающих объектов, причем обладает не только высоким пространственным, но и временным разрешением. Несколько лет назад в работах ван Хюлста (van Hulst) была убедительно показана уникальная возможность обнаружения с помощью БСОМ нанометровых размеров, обладающих избирательной способностью к сцеплению с различными элементами внутриклеточной структуры или участками ДНК.

БСОМ способен регистрировать единичные молекулы флуорофоров. При этом многократное сканирование поверхности позволяет следить за динамикой процессов, связанных с изменением положения молекул, их ориентацией, прочностью связи с окружающей матрицей и т.д., в том числе при импульсном облучении с нано- и пикосекундным разрешением во времени.

Методы БПО интересны для наноэлектроники, где они позволяют исследовать поверхность и топологию элементов с высокой локальностью. Вместе с тем можно оказывать на поверхность и тонкий слой "силовое" воздействие (в частности, модифицировать их структуру), если ближнее поле характеризуется высокой напряженностью. Это направление применений БПО, называемое также нанооптикой, также интенсивно развивается. Примером может служить нанесение с помощью БСОМ различных рисунков, характерный размер элементов которых составляет 50-70 нм (!).

Возможность в несколько раз улучшить разрешение при фотолитографии, а также на порядок и более повысить плотность записи информации (например, на магнитооптических средах) является чрезвычайно заманчивой и стимулирует большое число работ, направленных на решение этих задач. Однако переход от лабораторных исследований к разработке промышленных технологий сдерживается малой скоростью нанесения рисунка на поверхность путем сканирования зонда. Требуемая скорость сканирования связана с мощностью излучения, которая ограничена термической устойчивостью зонда. Как уже отмечалось, в типичных условиях лишь 10^-6-10^-4 часть светового потока попадает на образец, а основная часть поглощается металлическим покрытием зонда и нагревает его. Соответствующий анализ показал, что распределение температуры в зонде существенно зависит от его микрогеометрии и структуры поля вблизи вершины. Обычно наиболее нагретая область находится на значительном удалении от вершины. Этого, однако, достаточно, чтобы уже при световой мощности ~10 мВт, падающей на входное сечение стеклянного волоконного зонда с алюминиевым покрытием выходной конической части, при мощности дошедшего до образца излучения ~10 нВт происходило разрушение зонда из-за плавления алюминиевого покрытия в согласии с результатами измерений.

Существенное увеличение энергетической эффективности ближнепольных зондов является одной из важнейших научно-технических проблем нанооптики. Один из интересных путей ее решения заключается в использовании металлического стержневого зонда, подвод излучения к вершине которого осуществляется за счет возбуждения цилиндрической поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ). При этом отпадают трудности, вызванные отсечкой поля в заостренном кварцевом волоконном зонде и как следствие - большими потерями энергии. Анализ показывает, что поле ПЭВ у вершины зонда сконцентрировано в области, соизмеримой с ее диаметром.

При рассмотрении эффективности воздействия интенсивного света на вещество в области ближнепольного контакта (см. рис. 1) необходимо иметь в виду, что длина свободного пробега неравновесных носителей, возникших при поглощении света, и размер области, где происходит разветвленный процесс фотовозбуждения и разогрева вещества, могут существенно превосходить размер апертуры зонда.

Область применений БПО быстро расширяется. Новые направления находятся на стадии формирования идеи или ее экспериментальной проверки. Одна из них связана с возможностью использования методов БПО для контроля поверхности элементов мощных лазеров. Как правило, оптический пробой оптических материалов и элементов инициируется дефектами, природа которых не всегда известна. Наиболее естественный подход к обнаружению таких дефектов состоит в использовании для анализа поверхности и тонких слоев излучения с той же частотой, что и при силовом воздействии. Возможность визуализации малых оптических неоднородностей и проведения их спектрального анализа в БСОМ позволяет рассматривать его как эффективное средство решения этой задачи.

Заключение

Преодоление дифракционного предела в оптике или в более широком смысле - в науке о волнах - означает на самом деле более глубокое проникновение в заложенные в электродинамике информативные возможности. Еще раньше были достигнуты значительные успехи в расшифровке дифракционных картин (например, космических объектов), позволяющие определять размер объекта (например, диаметр звезды), даже если он значительно меньше длины волны регистрируемого излучения. Однако для такой расшифровки необходимо заранее знать форму объекта. Принципиально новым моментом, связанным с созданием и развитием ближнепольной оптики, является возможность получить с помощью оптических методов информацию о мельчайших объектах произвольной формы и локально воздействовать на них.

Преодоление дифракционного предела в оптике

М. Н. Либенсон

Применения ближнепольной оптики

Заключение

Рекомендуемая литература