Preodolenie difrakcionnogo predela v optike
M. N. Libenson
Sankt-Peterburgskii gosudarstvennyi institut tochnoi mehaniki i optiki (tehnicheskii universitet)SoderzhaniePredskazyvaemyi formuloi (1) bystryi (I ~ a6) spad detektiruemogo signala I po mere umen'sheniya radiusa a diafragmy ili vershiny zonda yavlyaetsya osnovnoi prichinoi trudnosti realizacii predel'nogo razresheniya v BSOM. Na praktike chashe vsego ispol'zuyut diafragmy s 
nm ishodya iz kompromissa mezhdu zhelaemym razresheniem i dopustimym urovnem otnosheniya signal/shum. Pri etom koefficient propuskaniya ili effektivnost' zonda s uchetom poter' v konicheskoi chasti pered diafragmoi sostavlyaet ~10-6-10-4.
Poluchennye Bete i pozdnee neskol'ko utochnennye formuly, opisyvayushie raspredelenie polya neposredstvenno za diafragmoi (
), do nastoyashego vremeni ostayutsya edinstvennym strogim analiticheskim predstavleniem blizhnego polya. V poslednee vremya bol'shoe vnimanie udelyayut razrabotke metodov komp'yuternogo modelirovaniya, v kotoryh prostranstvo vblizi vershiny zonda razbivaetsya na ryad yacheek i ishetsya reshenie elektrodinamicheskoi zadachi pri rasprostranenii vozmusheniya iz odnoi yacheiki v drugie. Razreshenie matematicheskih modelei opredelyaetsya razmerom yacheek, to est' v konechnom itoge razumnym vremenem vychislenii, i sostavlyaet ~1 nm. Ispol'zovanie metodov modelirovaniya pozvolilo naglyadno predstavit' strukturu polya ne tol'ko v zazore zond-obrazec, no i v chasti zonda, primykayushei k vershine i blizkoi k secheniyu otsechki osnovnoi volnovodnoi mody. Bylo pokazano, v chastnosti, chto raspredelenie polya v zonde harakterizuetsya nalozheniem slozhnoi sistemy stoyachih voln, voznikayushih iz-za mnogokratnyh otrazhenii sveta ot stenok konusa.
Primeneniya blizhnepol'noi optiki
Vozmozhnost' uluchsheniya na poryadok i bolee lokal'nosti opticheskih metodov issledovaniya poverhnosti ves'ma sushestvenna pri reshenii shirokogo kruga nauchnyh i prikladnyh zadach. Analiziruya vzaimodeistvie sveta s neodnorodnoi poverhnost'yu metodami obychnoi optiki, prihoditsya usrednyat' vliyanie mnogih defektov, nahodyashihsya v predelah obluchaemogo uchastka. Primenenie BSOM oblegchaet issledovanie otdel'nyh neodnorodnostei nanometrovogo razmera. Pervym podtverzhdeniem etoi osobennosti stalo obnaruzhenie odnochastichnyh plazmonov, vozbuzhdaemyh svetom v metallizirovannyh lateksnyh sferah.
K chislu ob'ektov, dlya kotoryh problema lokal'nosti opticheskogo analiza igraet pervostepennuyu rol', otnosyatsya geterostruktury s kvantovo-razmernymi svoistvami. V nih s pomosh'yu BSOM udaetsya ne tol'ko lokalizovat' otdel'nye centry lyuminescencii, chto samo po sebe predstavlyaet znachitel'nyi interes, no i razdelit' ih spektry. Takie issledovaniya dayut cennuyu informaciyu kak o strukturnyh osobennostyah sistemy, v tom chisle o sherohovatosti (na atomnom urovne) granic razdela, tak i o mehanizme diffuzii i raspada kvazichastic tipa eksitonov. Issledovaniya v BSOM effekta navedennogo fototoka pozvolyayut vyyavlyat' pripoverhnostnye defekty v poluprovodnikovyh obrazcah s razresheniem pochti na poryadok luchshe, chem razreshenie shiroko ispol'zuemyh na praktike metodov OBIC i EBIC (optical / electron beam induced current).
Blizhnepol'naya mikroskopiya predstavlyaet bol'shoi interes dlya razlichnyh biologicheskih issledovanii. V pervuyu ochered' eto svyazano s tem, chto s ee pomosh'yu (kak i s pomosh'yu mnogih drugih opticheskih metodov) mozhno izuchat' biologicheskie ob'ekty bez ih povrezhdeniya i v estestvennom okruzhenii (in vivo). BSOM daet kontrastnoe izobrazhenie kak dlya prozrachnyh, tak i dlya otrazhayushih ili rasseivayushih ob'ektov, prichem obladaet ne tol'ko vysokim prostranstvennym, no i vremennym razresheniem. Neskol'ko let nazad v rabotah van Hyulsta (van Hulst) byla ubeditel'no pokazana unikal'naya vozmozhnost' obnaruzheniya s pomosh'yu BSOM nanometrovyh razmerov, obladayushih izbiratel'noi sposobnost'yu k scepleniyu s razlichnymi elementami vnutrikletochnoi struktury ili uchastkami DNK.
BSOM sposoben registrirovat' edinichnye molekuly fluoroforov. Pri etom mnogokratnoe skanirovanie poverhnosti pozvolyaet sledit' za dinamikoi processov, svyazannyh s izmeneniem polozheniya molekul, ih orientaciei, prochnost'yu svyazi s okruzhayushei matricei i t.d., v tom chisle pri impul'snom obluchenii s nano- i pikosekundnym razresheniem vo vremeni.
Metody BPO interesny dlya nanoelektroniki, gde oni pozvolyayut issledovat' poverhnost' i topologiyu elementov s vysokoi lokal'nost'yu. Vmeste s tem mozhno okazyvat' na poverhnost' i tonkii sloi "silovoe" vozdeistvie (v chastnosti, modificirovat' ih strukturu), esli blizhnee pole harakterizuetsya vysokoi napryazhennost'yu. Eto napravlenie primenenii BPO, nazyvaemoe takzhe nanooptikoi, takzhe intensivno razvivaetsya. Primerom mozhet sluzhit' nanesenie s pomosh'yu BSOM razlichnyh risunkov, harakternyi razmer elementov kotoryh sostavlyaet 50-70 nm (!).
Vozmozhnost' v neskol'ko raz uluchshit' razreshenie pri fotolitografii, a takzhe na poryadok i bolee povysit' plotnost' zapisi informacii (naprimer, na magnitoopticheskih sredah) yavlyaetsya chrezvychaino zamanchivoi i stimuliruet bol'shoe chislo rabot, napravlennyh na reshenie etih zadach. Odnako perehod ot laboratornyh issledovanii k razrabotke promyshlennyh tehnologii sderzhivaetsya maloi skorost'yu naneseniya risunka na poverhnost' putem skanirovaniya zonda. Trebuemaya skorost' skanirovaniya svyazana s moshnost'yu izlucheniya, kotoraya ogranichena termicheskoi ustoichivost'yu zonda. Kak uzhe otmechalos', v tipichnyh usloviyah lish' 10-6-10-4 chast' svetovogo potoka popadaet na obrazec, a osnovnaya chast' pogloshaetsya metallicheskim pokrytiem zonda i nagrevaet ego. Sootvetstvuyushii analiz pokazal, chto raspredelenie temperatury v zonde sushestvenno zavisit ot ego mikrogeometrii i struktury polya vblizi vershiny. Obychno naibolee nagretaya oblast' nahoditsya na znachitel'nom udalenii ot vershiny. Etogo, odnako, dostatochno, chtoby uzhe pri svetovoi moshnosti ~10 mVt, padayushei na vhodnoe sechenie steklyannogo volokonnogo zonda s alyuminievym pokrytiem vyhodnoi konicheskoi chasti, pri moshnosti doshedshego do obrazca izlucheniya ~10 nVt proishodilo razrushenie zonda iz-za plavleniya alyuminievogo pokrytiya v soglasii s rezul'tatami izmerenii.
Sushestvennoe uvelichenie energeticheskoi effektivnosti blizhnepol'nyh zondov yavlyaetsya odnoi iz vazhneishih nauchno-tehnicheskih problem nanooptiki. Odin iz interesnyh putei ee resheniya zaklyuchaetsya v ispol'zovanii metallicheskogo sterzhnevogo zonda, podvod izlucheniya k vershine kotorogo osushestvlyaetsya za schet vozbuzhdeniya cilindricheskoi poverhnostnoi elektromagnitnoi volny (PEV). Pri etom otpadayut trudnosti, vyzvannye otsechkoi polya v zaostrennom kvarcevom volokonnom zonde i kak sledstvie - bol'shimi poteryami energii. Analiz pokazyvaet, chto pole PEV u vershiny zonda skoncentrirovano v oblasti, soizmerimoi s ee diametrom.
Pri rassmotrenii effektivnosti vozdeistviya intensivnogo sveta na veshestvo v oblasti blizhnepol'nogo kontakta (sm. ris. 1) neobhodimo imet' v vidu, chto dlina svobodnogo probega neravnovesnyh nositelei, voznikshih pri pogloshenii sveta, i razmer oblasti, gde proishodit razvetvlennyi process fotovozbuzhdeniya i razogreva veshestva, mogut sushestvenno prevoshodit' razmer apertury zonda.
Oblast' primenenii BPO bystro rasshiryaetsya. Novye napravleniya nahodyatsya na stadii formirovaniya idei ili ee eksperimental'noi proverki. Odna iz nih svyazana s vozmozhnost'yu ispol'zovaniya metodov BPO dlya kontrolya poverhnosti elementov moshnyh lazerov. Kak pravilo, opticheskii proboi opticheskih materialov i elementov iniciiruetsya defektami, priroda kotoryh ne vsegda izvestna. Naibolee estestvennyi podhod k obnaruzheniyu takih defektov sostoit v ispol'zovanii dlya analiza poverhnosti i tonkih sloev izlucheniya s toi zhe chastotoi, chto i pri silovom vozdeistvii. Vozmozhnost' vizualizacii malyh opticheskih neodnorodnostei i provedeniya ih spektral'nogo analiza v BSOM pozvolyaet rassmatrivat' ego kak effektivnoe sredstvo resheniya etoi zadachi.
Zaklyuchenie
Preodolenie difrakcionnogo predela v optike ili v bolee shirokom smysle - v nauke o volnah - oznachaet na samom dele bolee glubokoe proniknovenie v zalozhennye v elektrodinamike informativnye vozmozhnosti. Eshe ran'she byli dostignuty znachitel'nye uspehi v rasshifrovke difrakcionnyh kartin (naprimer, kosmicheskih ob'ektov), pozvolyayushie opredelyat' razmer ob'ekta (naprimer, diametr zvezdy), dazhe esli on znachitel'no men'she dliny volny registriruemogo izlucheniya. Odnako dlya takoi rasshifrovki neobhodimo zaranee znat' formu ob'ekta. Principial'no novym momentom, svyazannym s sozdaniem i razvitiem blizhnepol'noi optiki, yavlyaetsya vozmozhnost' poluchit' s pomosh'yu opticheskih metodov informaciyu o mel'chaishih ob'ektah proizvol'noi formy i lokal'no vozdeistvovat' na nih.
Rekomenduemaya literatura
1. Pohl D.W., Denk W., Lanz M. // Appl. Phys. Lett. 1984. Vol. 44. P. 651-664.
2. Kumar Uikramasingh H. // V mire nauki. 1989. N 12. S. 62-71.
3. Didenko I.A., Libenson M.N. // Opt. vestn. 1992. N 5/6. S. 1-2.
4. Betzig E., Chichester R.J. // Science. 1993. Vol. 262. P. 1422-1425.
5. Libenson M.N. Poverhnostnye elektromagnitnye volny v optike // Sorosovskii Obrazovatel'nyi Zhurnal. 1996. N 11. S. 103-110.
6. Zhdanov G.S., Libenson M.N., Marcinovskii G.A. Optika vnutri difrakcionnogo predela // UFN. 1998. T. 168, N 7. S. 801-804.
Recenzent stat'i Yu.V. Kopaev
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
difrakcionnyi predel - difrakciya sveta - optika - razreshenie - Mikroskop - opticheskie pribory
Publikacii so slovami: difrakcionnyi predel - difrakciya sveta - optika - razreshenie - Mikroskop - opticheskie pribory | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
