Новотный Л., Хехт Б. Основы нанооптики
Подождите немного. Документ загружается.
5 1
Излучение
в
дальнем
поле
и
детектирование
143
фосфата
галлия
(GaP).
Такое
уменьшение
фокального
пятна
привело
к
прогрессу
в
сфере
хранения
информации
на
оптических
дисках
с
высокими
скоростями
считы
вания
информации
со
среды
с
очень
высокой
плотностью
битов
[16].
Перспективы
использования
таких
линз
в
сочетании
с
более
коротковолновыми
голубыми
полу
проводниковыми
диодными
лазерами
позволяют
считать
ТИЛ
потенциально
очень
ПРИВ,lекательными
не
только
для
хранения
информации,
но
также
и
в
сфере
опти
ческой
микроскопии
и
спектроскопии
высокого
разрешения
с
большой
пропускной
способностью
света
и
высокой
чувствительностью.
ТИЛ
представляют
собой
плосковыпуклые
линзы
с
высоким
показателем
прелом
.lения,
обеспечивающим
оптимальную
фокусировку
для
гауссовых
пучков.
в
Ш
,,;,
, .
'.
'
.-
.
':.'.
Рис
57
Конфигурации
твердотельных
иммерсионных
линз
(ТИЛ).
а
-
Полусферическая
.lинза
увеличивает
разрешения
в
;::::
n
раз
6 -
Оптика
Вейерштрасса,
или
супер-
ТИЛ,
~
ве.lичивает
разрешение
в
;::::
n
2
раз.
Два
способа
получения
изображений:
поверхностная
ТИЛ-микроскопия
(в)
и
подповерхностная
ТИЛ-микроскопия
(г)
Сушествуют
две
геометрии
с
полусферическими
линзами,
позволяющие
получить
.1ифракционно
ограниченное
изображение.
Первая,
когда
фокус
расположен
в
центре
сферы,
а
входящие
лучи
перпендикулярны
поверхности,
что
обычно
называется
ТИЛ
(сы.
5.7,
а).
Вторая,
когда
фокус
представляет
собой
апланатический
набор
точек,
находяшихся
на
некотором
расстоянии
ниже
центра
сферы,
лучи
из
которого
прелом
.JЯЮТСЯ
на
сферической
поверхности.
Такой
тип
геометрии
называется,
как
правило,
сверх-ТИЛ
[16],
или
оптикой
Вейерштрасса
(см.
5.7,
б).
И
хотя
сверх-ТИЛ-геометрия
позволяет
получить
большее
увеличение
('" n
2
против
n),
а
также
повысить
числовую
апертуру,
в
ней
сильны
хроматические
аберрации.
Приложения
ТИЛ-микроскопии
распадаются
на
две
большие
категории:
поверхностная
и
подповерхностная
визуали
зации
[17].
В
последнем
случае
ТИЛ
(или
сверх-
ТИЛ)
используется
для
создания
изображений
объектов,
находящихся
под
линзой
внутри
исследуемого
образца.
В
ЭТОМ случае
необходимо
очень
точно
подбирать
соотношение
коэффициентов
прелом
.lения
линзы
и
подложки.
Принцип
подповерхностной
визуализации
показан
схематически
на
рис.
5.8.
В
от
сутствие
ТИЛ
большая
часть
лучей,
исходящих
от
подповерхностной
структуры,
претерпевает
полное
внутреннее
отражение
(ПВО)
на
поверхности
образца.
Осталь
ные
лучи,
которые
могут
распространяться,
локализуются
в
узкий
конус
вокруг
нормали
к
поверхности,
таким
образом
значительно
уменьшая
числовую
апертуру.
РаЗ~lещением
подобранной
по
коэффициенту
преломления
ТИЛ
на
поверхности
мы
.10биваемся
существенного
повышения
числовой
апертуры.
Таким
образом,
этот
тип
144
Гл.
5
Наноразмерная
оптическая
микроскопия
ТИЛ-геометрии
называется
линзой,
повышающей
числовую
апертуру
(NAIL
1»
[17]
Размер
линзы
должен
быть
подобран
в
соответствии
с
глубиной
Х
подповерхностной
структуры,
которую
мы
исследуем
(см.
рис.
5.8).
Вертикальная
ширина
D
линзы
должна
удовлетворять
условию
D=R(1+1/n)-X,
(52)
которое
имеет
такой
же
вид
и
для оптики
Вейерштрасса.
Соотношение
(5.2)
означает.
что
подповерхностная
плоскость
объекта
совпадает
апланатическим
набором
точек
сферической
поверхности
NAIL,
удовлетворяющей
соотношению
синусов,
позволяю
щему
получить
безаберрационное,
или
стигматическое,
изображение.
а
/\\\
Образец
- - - - - -
-Подповерхноётная
структура
Рис
5.8
Подповерхностная
визуализация,
осуществляемая
при
помощи
линзы.
повышающей
числовую
апертуру
(NAIL)
а
-
Вещество
с
высоким
показателем
преломления.
световые
лучи,
исходящие
от
подповерхностной
структуры,
испытывают
полное
внутреннее
отражение.
таким
образом
снижая
числовую
апертуру
всей
системы.
б
-
Размещение
ТИЛ
увеличивает
N
А
до
величины
N
А
= n
в,
г
-
Сравнение
изображений
кремниевой
электронной
cxe~lbI.
полученной
без
NAIL
и
с
ним
Взято
из
[17]
с
согласия
авторов
(©2002
'ЕЕЕ)
Внесение
NAIL
в
схему
стандартного
микроскопа
увеличивает
N
А
до
величи
ны
n
2
по
сравнению
с
N
А
= n.
В
качестве
примера
на
рис.
5.8,
в,
г
показано.
как
NAIL
значительно
улучшает
разрешение
картинки
кремниевой
микросхемы
по
сравнению
с
современным
уровнем
развития
техники
подповерхностной
визуализа
ции
[18].
Изображение
(в)
получено
с
использованием
стократного
объектива
ОООх)
с
числовой
апертурой
N
А
= 0,5,
а
изображение
(6)
было
получено
при
ПОМОЩИ
десятикратного
объектива
((Юх,
N
А
= 0,25»
и
NAIL.
В
результате
эффективное
N
А
= 3,3.
На
длине
волны>.
= 1
мкм
можно
получить
разрешение
до
150
нм.
В
по
следнее
время
Йунлу
(Опlti)
с
соавторами
применили
технику
NAIL
к
температурной
визуализации,
что
не
требует
подсветки
объекта
[18].
В
этом
случае
испускаемое
инфракрасное
излучение
возникает
благодаря
нагреву,
осуществляемому
при
ПОМОЩИ
электрических
контуров.
На
рис.
5.9,
а показана
схема
конфокального
микроскопа
с
использованием
NAIL.
Устройство
NAIL
находится
в
закрепленном
контакте
с
поверхностью
об
разца.
Для
получения
изображения
образец
вместе
с
закрепленным
на
нем
NAIL
1)
NAIL
- Numerical aperture increasing lens
(англ.)
-
Причем
пер
5 2
Подсветка
в
ближнем
поле
и
детектирование
в
дальнем
поле
145
поточечно
смещается
с
использованием
пьезоэлектрических
датчиков.
Однако
в
та
ких
приложениях,
как
хранение
информации
или
фотолитография,
желательно
дстсК1ор_
••••
Малснькое
_ - I -
UТВСРСlие
(/
ВНУlреlШЯЯ
лиllJ3
..............
-
......
..
б
: ..,.
,,\i//
~
Кантнлевер
~
в
Ось
вращения
,
,
ер
Рис
5 9
Техника
ТИЛ
в
трех
различных
приборах
а
-
повышение
числовой
апертуры
при
помощи
приведения
ТИЛ
(SIL)
в
контакт
с
поверхностью
образца;
б
-
микроскопия
ТИЛ
с
использованием
кантилевера
атом
но-силовой
микроскопии
для
контроля
расстояния,
в
-
конфигурация
с
незакрепленной
головкой
для
вращающейся
поверхности
образца
при
использовании
в
магнитооптическом
режиме
хранения
информации
все-таки
иметь
возможность
относительного
позиционирования
линзы
и
поверхно
сти.
Для
этого
нижняя
поверхность
ТИЛ
должна
быть расположена
параллельно
поверхности
образца
и
в
непосредственной
близости
от
него,
чтобы
не
терять
в
числовой
апертуре
и
не
вносить
нежелательных
аберрациЙ.
Это
попросту
означа
ет.
что
при
использовании
ТИЛ
небольшого
размера
или
имеющей
форму
конуса
мы
точно
знаем,
что
ближайшая
к
ним
точка
поверхности
окажется
в
фокальном
пятне.
Для
контроля
расстояния
были
предложены
два
подхода.
Первый
основан
на
использовании
кантилевера,
как
это
делается
в
атом
но-силовой
микроскопии
(АСМ)
[19].
АСМ-головка
перемещается
при
помощи
миниатюрных
ТИЛ
кониче
ской
формы,
освещаемых
сверху,
см.
рис.
5.9,
б.
Такая
комбинированная
АСМ-ТИЛ
техника
успешно
применялась
в
микроскопии
и
фотолитографии,
что
ПОЗВОЛИ,IJО
по
лучить
пространственное
разрешение
до
150
нм
[19,20].
Другим
примером
контроля
расстояния
является
незакрепленная
головка
[16].
Вращение
образца
на
высоких
скоростях
относительно
неподвижных
ТИЛ
создает
аэростатические
направляющие,
удерживающие
ТИЛ-поверхности
на
расстоянии
десятых
долей
нанометра
друг
от
друга
(см.
рис.
5.9,
в).
Этот
метод
был
изначально
предложен
компанией
IВM
как
часть
магнитооптической
записывающей
системы.
Очевидным
развитием
техники
ТИЛ
является
соединение
ее
с
принципами
опти
ческой
микроскопии
ближнего
поля.
Например,
было
предложено
сделать
на
нижней
грани
ТИЛ
микроотверстие
[21]
или имплантировать
туда
металлическую
структуру
очень
маленького
размера,
которая
выступала
бы
в
роли
усилителя
локального
поля
[18],
или
разместить
на
обеих
сторонах
ТИЛ
коническую
антенну,
состоящую
из
двух
электродов
с
небольшим
зазором
[22].
В
настоящее
время
эти
подходы
находятся
в
стадии
разработки.
5.2.
Поде
ветка
в
ближнем
поле
и
детектирование
в
дальнем
поле
С
точки
зрения
общих
принципов,
пространственное
разрешение
может
быть
повышено
путем
расширения
спектра
пространственных
частот.
Числовая
апертура
ограничивает
спектр
пространственных
частот
до
диапазона
kl
l
=
О,
...
, N
AVJ/C.
Чис-
10
Л
НаватныЙ.
Б
Хехт
146
Гл
5
Наноразмерная
оптическая
микроскопия
лова
я
апертура
N
А,
как
мы
видели,
может
быть
увеличена
либо
путем
роста
показа
теля
преломления
(n),
либо
за
счет
увеличения
углов
фокусировки.
В
лучшем
случае
N
А
= n,
что
устанавливает
строгий
предел
разрешения.
Однако,
как
обсуждалось
в
разд.
4.6,
это
соображение
не
принимает
в
расчет
пространственных
частот,
свя
занных
с
эванесцентными
волнами.
Если
же
ввести
в
рассмотрение
эванестцентные
волны,
то
ширина
пространственного
спектра
становится
неограниченной
и
разреше
ние,
в
принципе,
может
быть
произвольно
оптимизировано.
В
настоящем
разделе
мы
рассмотрим
схему
оптической
микроскопии
с
источником
возбуждения,
наХОДЯЩИ~IСЯ
в
ближнем
поле,
т.
е.
таким
источником,
который
обладает
эванесцентными
КОI\IПО
нентами
поля.
Ближнее
поле
взаимодействует
с
образцом,
а
возникающий
отклик
записывается при
помощи
стандартной
собирательной
оптики
дальнего
поля.
Так
как
в
разд.
4.6
мы
привели
необходимый
теоретический
материал,
здесь
мы
ограНИЧИ~IСЯ
обсуждением
экспериментальных
аспектов
этой
задачи.
Источник
ближнего
ПО.1Я.
как
правило,
называется
головкой
или
зондом.
5.2.
{.
Апертурное
сканирование
в
оптической
микроскопии
ближнего
поля.
Оптическое
устройство
сканирующего
микроскопа
ближнего
поля
апертурного
ти
па
отличается
от
конфокальной
установки
только
тем,
что
возбуждающий
пучок
заменяется
на
поле,
исходящее
из
очень
маленького
отверстия,
расположенного
вблизи
поверхности
образца
(см.
рис.
4.18).
Обычно
такое
отверстие
создается
путе~1
напыления
металла
на
конусообразный
кончик
тонкого
оптического
волокна
Нена
пыленный
кончик
волокна
представляет
собой
отверстие.
Его
размер
определяется
толщиной
волоконного
конца
и
качеством
напыления.
Физические
характеристики
апетурных
зондов
будут
детально
обсуждаться
в
гл.
6.
Оптический
отклик,
возни
кающий
при
взаимодействии
ближнего
поля
с
поверхностью
образца,
записывается
при
помощи
той
же
схемы,
что
используется
в
конфокальной
микроскопии.
Схожесть
этих
методик
при
возможности
легкого
переключения
с
подсветки
в
БЛИЖНNI
на
подсветку
в
дальнем
поле
становится
очень
существенным
преимуществом.
Так
как
в
микроскопии
ближнего
поля
апертурного
типа
у
нас
теперь
есть
два
разных
оптических
элемента,
для
подсветки
и
детектирования,
они
должны
находиться
на
одной оптической
оси.
Это
требует
создания
способов
настройки
поперечного
позиционирования
оптического
зонда.
Если
образец
перемещается
Д.1Я
сканирования,
то
оптический
путь
не
должен
меняться
на
протяжении
всего
процесса
формирования
изображения.
Это
гарантирует,
например,
постоянство
эффективности
собирания
света
на
всем
изображении.
Если
используется
сканирующая
головка.
изображение,
находящееся
за
апертурой
детектора,
должно
быть
достаточно
боль
шим,
чтобы
вмещать
весь
сканирующий
диапазон
головки.
Если
бы
апертурный
зонд
был
идеальным,
необходимости
в
конфокальной
оптике
на отрезке
детектирования
не
было
бы.
Однако
в
реальности
ВСЯКИЙ
раз
оказывается,
что
апертурные
зонды
едва
ли обладают
желательной
степенью
совершенства
Небольшие
дырочки
в
металлическом
напылении,
а
также
засветка,
исходящая
из
на
пыленных
верхних
частей
зонда,
могут
привести
к
серьезным
проблема
м
при
детекти
ровании
слабых
сигналов.
Если
же
мы
будем
детектировать
только
свет,
находящийся
в
ограниченном
кон
фокальном
объеме,
то
проблему
можно
отчасти
решить.
Как
уже
говорилось
в
разд.
4.6.1,
в
случае
апертур
БОльшего
размера
влияние
на
разрешение
начинают
оказывать
величины
числовых
апертур
собирающей
оптики.
Высокие
чис
ловые
апертуры
улучшают
эффективность
собирания
света,
что
играет
существенную
роль
во
флуоресцентных
приложениях.
Для
получения
хорошего
контраста
между
поглощенным
и
рассеянным
светом
необходимо
иметь
в
виду,
что
свет,
собираемый
ниже
и
выше
критического
угла
(разрешенный
и
запрещенный
свет
соответственно,
52
Подсветка
в
ближнем
поле
и
детектирование
в
дальнем
поле
147
Cr.1
гл.
10),
может
иметь
инвертированный
контраст
[23].
В
таких
приложениях
.1ИНЗЫ
с
высокими
числовыми
апертурами
должны
использоваться
с
осторожностью
.
....:....,
лазер
I
ItJ
18
j
Рис
5
10
Типичная
установка
флуоресцентного
сканирующего
оптического
микроскопа
апер
T~
рного
типа
Обратите
внимание
на
схожесть
с
конфокальной
установкой,
показанной
на
рис
5 1
Лазерный
свет
запускается
в
оптическое
волокно,
на
противоположном
конце
которого
находится
оптический
зонд
Зонд
удерживается
на
расстоянии
ближнего
поля
от
поверхности
образца
при
помощи,
например,
камертонного
резонатора
для
поперечно-силовой
~IИКРОСКОПИИ
(см
гл
7)
Свет
взаимодействует
с
образцом
и
затем
собирается
при
помощи
объектива
микроскопа,
который
установлен
на
оси
волокна.
В
случае
флуоресцентной
ви
зуа.lизации
дихроическое
зеркало
отражает
большую
часть
возбуждающего
света
Боковая
засветка
устраняется
при
помощи
дополнительных
фильтров,
а
сдвинутый
в
сторону красной
границы
сигнал
флуоресценции
фокусируется
детектором
или
спектрометром
Обозначения
М
-
зеркала.
L -
линзы,
ом
-
дихроические
зеркала
Зеркала,
нарисованные
пунктиром,
могут
убираться
из
оптического
пути
пучка
5.2.2.
Сильнопольная
сканирующая
оптическая
микроскопия
ближнего
поля.
Микроскопия
ближнего
поля
апертурного
типа
ограничена
в
разрешении
по
причине
того,
что
диаметр
апертуры
не
может
быть
сделан
меньшим,
чем
удвоенная
ТОJlщина
металлического
напыления
на
стеклянном
конусе.
Для
оптических
частот
эта
толщина
колеблется
между
6
и
10
нм
при
использовании
хороших
металлов.
Вследствие
этого,
даже
если
физический
размер
апертуры
равен
нулю,
то
существует
эффективная
апертура
около
20
нм
диаметром.
Достижение
такого
разрешения
не
является
стандартной
задачей,
потому
что
для
апертур
такого
небольшого
размера
пропускание
становится
катастрофически
низким,
как
мы
это
покажем
в
гл.
6.
Стандартные
апертурные
зонды
имеют
в
диаметре
от
50
до
100
нм
В
силу
требования
разумного
отношения
сигнала
к
шуму,
кроме
тех
случаев,
когда
конический
угол
концевой
части
зонда
может
быть
существенно
увеличен
(см.
гл.
6).
для
дальнейшего
продвижения
в
область
локализации
света
можно
учесть
тот
факт.
что
ближнее
поле
создается
любой
освещаемой
материальной
структурой.
Оно
находится
вблизи
поверхности
этой
структуры,
и,
в
зависимости
от
материальных
свойств
вещества,
его
интенсивность
может
даже
превышать
интенсивности
света,
148
Гл
5
Наноразмерная
оптическая
микроскопия
освещающего
структуру.
Таким
образом,
материальные
структуры,
отличные
от
апертур,
тоже
могут
использоваться
в
качестве
оптических
зондов.
Но
наша
цель
-
найти
такие
специальные
структуры,
на
которых
можно
достичь
особенно
сильной
локализации
и
особенно
заметного
усиления.
Одна
возможность
-
это
использова
ние
усиленных
полей,
существующих
вблизи
маленьких
освещаемых
металлических
частиц
и
острых,
типа
головки,
металлических
структур.
Когда
электромагнитное
поле
взаимодействует
с
металлом,
оно
сдвигает по
периодическому
закону
свободные
электроны
на
его
поверхности
вдоль
направления
колебания
электрического
поля.
Если
металл
имеет
ограниченный
размер,
на
определенных
частотах
возникают
резонансы,
обусловленные
его
геометрией.
Эти
так
называемые
поверхностные
плаз
монные
резонансы
связаны
с
существенным
усилением
поля
и
могут
использоваться
в
эффективных
зондах
ближнего
поля.
Поверхностные
плазмоны
мы
подробно
рас
смотрим
в
гл.
12.
Даже
если
нам
не
удалось
возбудить
плазмонный
резонанс,
такая
структура
все
равно
будет
обладать
нерезонансным
свойством
усиления
поля
за
счет
«сгущения
силовых
линий
поля»,
возникающего
на
вершине
острой
металлической
головки
Это
явление
также
известно
как
эффект
«громоотвода»
В
электростатике.
Основная
проблема
при
работе
со
структурами,
усиливающими
поле,
заключается
в
том.
что.
как
правило,
их
необходимо
возбуждать
при
помощи
подсветки
из
дальнего
поля.
Это
означает,
что,
кроме
сильнолокализованного
и
усиленного
поля вблизи
освещаемой
структуры,
существуют
дифракционно-ограниченные
поля,
обусловленные
подсвет
кой
из
дальнего
поля.
И
хотя
интенсивность
этой
внешней
подсветки
невелика. она
приводит
к
тому,
что
освещаемая
область
поверхности
образца
много
больше. чем
область,
связанная
с
локализованным
ближним
полем.
Для
дискриминации
сигнала.
обусловленного
ближним
и
дальним
полями,
можно
использовать
нелинейные
взаи
модействия,
такие
как
двухфотонное
возбуждение
или
генерация
суммарной
частоты
(см.
ниже).
Другой
способ
рещить
проблему
засветки
был
продемонстрирован
Фреем
(Frey)
с
соавторами.
Головку
можно
расположить
на
нижней
поверхности
апертур
ного
зонда
[24].
Возбуждение
через
апертуру
вместо
использования
подсветки
из
дальнего поля
очень
сильно
снижает
засветку,
возникающую
во
втором
случае
Для
дифракционно-ограниченного
пятна
возбуждающего
света
отношение
пло
щадей
областей,
связанных
с
внешней
засветкой
и
с
возбуждением
ближним
полем.
равно
примерно
103.
Таким
образом,
в
предположении,
что
молекулы
распределены
по
поверхности
равномерно,
это
означает,
что
для
того
чтобы
сигнал,
вызванный
ближним
полем,
превзошел
сигнал,
связанный
с
внешней
засветкой,
необходимо
увеличить
его
интенсивность
по
крайней
мере
в
103
раза.
С
другой
стороны,
Д.1Я
нелинейных
процессов
второго
порядка,
которые
растут
как
квадрат
от
падаюшей
интенсивности,
необходимый
нам
усиливающий
фактор
составит
уже
JТ()J.
Конечно.
когда
речь идет
о
небольшом
пространственном
покрытии,
проблема
дискриминации
ближнего
и
дальнего
поля
становится
менее
существенной.
А
при
наличии
в
фокусе
падающего
излучения
только
объекта
проблемой
засветки
из
дальнего
поля
можно
и
вовсе
пренебречь.
Использование
нелинейных
оптических
процессов
может
также
привести
к
слож
ностям,
Т.
к.
появляется
новый
источник
фоновой
засветки,
а
именно
нелинейные
процессы,
происходящие
непосредственно
в
самой
головке.
Наиболее
яркими
ПРИ~lе
рами
являются
генерация
белого
света
1)
[25]
и
генерация
второй
гармоники
[26].
возникающие
при
увеличении
уровня
подсветки.
Являясь
нежелательными
эффекта-
1)
В
отечественной
литературе
чаще
принятно
говорить
о
генерации
супеРКОНТИНУУ~lа
-
Примеч
пер
5 2
Подсветка
в
ближнем
поле
и
детектирование
в
дальнем
поле
149
ми
в
экспериментах
по
измерению
люминесценции,
в
спектроскопии
и
литографии
оба
эффекта
можно
использовать,
например,
для
создания
локальных
световых
источников.
На
рис
5.11
пока
за
на
экспериментальная
установка
для
сильнопольной
ска
нирующей
оптической
микроскопии
ближнего
поля,
основанной
на
двухфотонном
возбуждении
флуоресценции.
Эта
конфигурация
схожа
с
конфокальным
микроско
пом,
рис
5.1.
Отличием
от
сканирующего
оптического
микроскопа
ближнего
поля
РIIС
5
11
Нелинейная
сильнополевая
головочная
микроскопия
ближнего
поля.
GVOc.
КОМ
пенсация
дисперсии
групповой
скорости:
М
-
зеркало,
МС
-
преобразователь
мод,
F -
фи.1Ыр,
ОМ
-
дихроическое
зеркало,
О
-
объектив
микроскопа,
S -
образец,
L -
линзы,
SPAO
-
лавинный
детектор,
работающий
в
режиме
счета
единичных
фотонов
апертурного
типа
является
наличие
дополнительного
оптического
пути
через
про
зрачный
образец.
Перед
отражением
от
дихроического
зеркала
модовая
структура
возбуждающего
пучка
настраивается
в
соответствии
с
сильными
продольными
ком
понентами
поля
в
фокусе
лазера.
Продольными
полями
мы
называем
электрические
ПО.~я,
направленные
вдоль
распространения
света,
т.
е.
вдоль
оси
головки.
Именно
эти
продольные
поля
необходимы
для
возникновения
эффекта
усиления
поля.
Проис
ХОЖ;:J.ение
продольных
полей
и
вопросы
их
генерации
обсуждались
в
гл.
3.
В
качестве
примера
работы
микроскопии
сильного
поля
на
рис.
5.12
показано
изображение
PIC
J-агрегатов
1),
полученное
при
двухфотонном
возбуждении
флуоресценции
ближним
ПО.lем
для
того,
чтобы
понять
значимость
фактора поляризации
в
вопросе
усиления
поля,
рассмотрим
металлическую
головку
как
газ
свободных
электронов.
Внеш
нее
вынуждающее
поле,
поляризованное
вдоль
оси
головки,
заставляет
электро
ны
двигаться
вверх-вниз
по
периодическому
закону
вдоль
оси
головки
с
частотой
')
PIC
- pseudolsocyanine
или
1,I'-диэтил-2,2'-цианина
йодид
(цианиновые
красители)
-
Прu.~fеl/
пер
150
Гл
5.
Наноразмерная
оптическая
микроскопия
Рис.
5
12
Изображение,
получаемое
в
сильнопольном
головочном
оптическом
микроскопе
при
помощи
двухфотонного
возбуждения.
а
-
Двухфотонная
флуоресценция
образца
./-агрегатов
цианинового
красителя
(рте)
на
стекле
б
-
Соответствующее
топографическое
изображение.
записанное
при
помощи
камертонного
резонатора
для
поперечно-силовой
МИКРОСКОПИII
вынуждающего
поля.
Так
как
площадь
поверхности
конца
головки
очень
ма.1а.
согласованное
смещение
всего
электронного
ансамбля
в
его
сторону
при
водит
к
ги
гантской
аккумуляции
заряда на
конце.
По
закону
Гаусса
эти
заряды
при
водят
к
возникновению
вторичного
(дипольного)
поля,
что
выглядит
как
усиление
ПО,lЯ
Когда
ансамбль
электронов
смещается
в
обратном
направлении,
остающиеся
ПО.10-
жительные
ионы
создают
усиленное
поле,
поляризованное
в
обратном
направлении
Если
внешнее
поле
поляризовано
перпендикулярно
оси
головки,
то
заряд
не
может
быть
аккумулирован
вблизи
конца
головки, и
мы
не
наблюдаем
усиления
поля
Сильнопольная
сканирующая
оптическая
микроскопия
ближнего
поля
успешно
сочеталась
и
с
методиками
колебательной
спектроскопии,
такими
как
рамановское
рассеяние
[27]
и
КАРС
[28]
Основная
идея,
лежащая
к
основе
такого
соединения.
была
сформулирована
Джоном
Весселем
(John Wessel)
в
1985
г.
[29]
В
присутствии
структур,
усиливающих
поле,
возрастает
не
только
возбуждающее
поле,
но
и
рамановски
рассеянное
излучение,
при
этом
обычно
предполагают,
что
рамановский
сигнал
увеличивается
как
четвертая
степень
напряженности
лока.1ЬНО
го
поля
[30].
Этот
эффект
используется
многими
исследователями.
Например,
на
рис.
5.13
представлены
изображения
образцов
углеродных
нанотрубок,
полученные
при
помощи
рамановского
рассеяния
в
ближнем
поле
[31].
Углеродные
нанотрубки
обладают
сравнительно
большим
сечением
рамановского
рассеяния,
поэтому
легко
визуализируются
даже
при
небольшой
площади
освещения
образца.
Рамановское
изображение,
представленное
на
рис.
5.13,
было
получено
путем
интегрирования
по
узкому
спектральному
диапазону,
локализованному
вблизи
спектральной
линии
(;'
на
частоте
1/ = 2615
CM-
1
•
Следует
ожидать,
что
сильнопольная
микроскопия
ближнего
поля
в
будущем
получит
существенное
развитие.
Исследуются
различные
геометрии
и
материалы
дJ1Я
головок,
которые
позволят
достичь
максимального
усиления
поля;
изучаются
также
способы
подавления
конкурентных
процессов
флуоресценции.
В
конечном
итоге
раз
решение
зависит
только
от
остроты
головки,
и
вполне
возможно,
что
будут
получены
изображения
белковых
мембран
и
квантово-механических
волновых функций.
Модуляционные
техники
Модуляционные
техники
также
используются
для
дискриминации
сигнала
ближ
него
поля,
генерируемого
на
вершине
головки,
и
сигнала
засветки,
связанного
с
дифракционно-ограниченным
внешним
полем.
Как
правило,
расстояние
между
головкой
и
образцом
модулируется,
а
оптический
сигнал
регистрируется
на
частоте
модуляции
или
на
более
высоких
частотах
при
помощи
синхронных
усилителей.
Синхронное
усиление
может
быть
без
дополнитель-
5 2
Поdсветка
в
ближнем
поле
и
детектирование
в
дальне.м.
поле
151
ных
сложностей
применено
только
к
аналоговым
сигналам.
В
отличие
от
цифрового
сигнала,
получаемого
в
режиме
счета
фотонов,
генерация
аналогового
сигнала
тре
бует
обычно
большого
потока
фотонов.
Следовательно,
модуляционные
методики
в
бо.lьшеЙ
степени
приложимы
к
рэлеевскому
рассеянию
света
на
частоте
внешнего
возбуждающего
поля
и в
меньшей
степени
-
к
случаю
флуоресценции
или
другого
спектрально
сдвинутого
слабого
излучения.
Спектроскопическая
информация
в
этом
режиме
может
быть
получена
путем
перестройки
частоты
возбуждающего
лазера.
Возбуждающее
поле
индуцирует
дипольный
момент
в
головке,
которая,
в
свою
оче
редь.
индуцирует
зеркально
отраженный
дипольный
момент
в образце.
Наблюдаемый
сигнал представляет
собой
свет,
рассеянный
эффективным
диполем,
представляю
щим
собой
результат
объединения
диполей
в
головке
и
в
образце.
Используя
модель
сферической
частицы
над
плоской
поверхностью,
получим
следующую
эффективную
поляризуемость
объединенной
системы
головка-образец
(tip-sample):
о!с!!
=
а
1 _ 0/.;.-
lб1r(а
+
z)3
0:(1
+.8)
(5.3)
Г.1е
(\
=
41Гll
3
(':1iр
- I)/(.:tlp + 2),
и
В
=
(esdmple
- 1)/(e
sdmp
le
+
1),
а
-
радиус
кривизны
ГО.l0ВКИ,
а
-:
-
величина
зазора
между
головкой
и
образцом
[32].
Для
маленькой
частицы
амплитуда
рассеянного
поля
пропорциональна
поляризуемости
O:err.
Таким
образом,
изменение
длины
волны
излучения
приведет
к
изменению
эффективности
рассеяния,
т
к.
величины
диэлектрических
проницаемостей
образца
esample
и
головки
:.
р
также
изменятся.
Такой
метод
спектроскопии
позволяет
различать
вещество
о
Фотоны
(kcts/c)
8
О
Высота
(им)
6
Xk~2Z
6k
~:~I
()
~О'l------т----.-----'
()
2()()
400
600
800
1000
О
100
200
Расположение
(нм)
Расположение
(им)
Рис
5
13
Сильнополевое
рамановское
рассеяние
ближнего
поля.
а
-
Рамановское
рассеяние
на
частоте
/1
=
2615
см
-1
и
б
-
поперечно-силовая
топография
образца
углеродной
нанотрубки
с
одинарной
стенкой
на
стеклянной
подложке.
На
топографии
видно,
что
нанотрубки
покрыты
конденсатом
в
виде
капелек
воды.
Линии
среза
(в)
и
(г)
получены
вдоль
соответствующих
белых
пунктирных
линий
(с)
И
(d),
показанных
на
рис.
(а)
и
(6).
Из
работы
[31]
152
Гл.
5.
Наноразмерная
оптическая
микроскопия
образца,
при
условии
что
в
интересующем
нас
спектральном
диапазоне
отклик
головки
постоянен.
Викрамасинг
(Wickramasinghe)
с
соавторами
предложили
технику.
названную
сканирующей
интерферометрической
безапертурной
микроскопией
(SIAM) ').
В
этой
технике
используется
объектив
Номарского
для
фокусировки
лазерного
пучка
в
два
дифракционно-ограниченных
пятна
на
поверхности
образца.
Одно
пятно
служит
как
опорное,
второе
как
сигнальное.
Острый
колеблющийся
головочный
зонд
стабили
зируется
над
поверхностью
и
позиционируется
в
сигнальное
пятно.
Суперпозиция
рассеянного
поля
от
головки
и
отраженного
назад
сигнального
пучка
содержит
небольшой
фазовый
сдвиг,
измеряемый
путем
соотнесения
с
опорным
пучком
при
помощи
интерферометра
на
призме
типа
Номарского.
Слабый
сигнал
восстанавли
вается
при
помощи
синхронного
усилителя,
настроенного
на
частоту
колебаний
го
ловки.
Детектируемый
таким
образом
сигнал
рассматривается
как
пропорциональный
произведению
локальных
восприимчивостей
образца
и
головки
[33].
На
рис
5.14
представлены
принципиальная
схема
установки,
а
также
кривая
аппроксимации.
из
которой
следует,
что
сигнал
с
расстоянием
испытывает
сильное
затухание.
д.1Я
при
мера
возможностей
визуализации
этого
метода
представлены
изображения
I\IИК
рообъекта
(бита),
полученные
при
помощи
атом
но-силовой
микроскопии
со
слабой
обратной
связью
(8)
и
при
помощи
SIAM
(г).
Обычно
оказывается,
что
детектирование
оптического
сигнала
на
основной
ча
стоте
колебаний
не
так
удобно,
т.
к.
верхние
(находящиеся
в
дальнем
поле)
части
головки
тоже
могут
давать
вклад
в
сигнал
модуляции.
Эта
проблема
может
быть
решена
путем
детектирования
на
высших
гармониках
основной
частоты
колебаний
головки.
Так
как
зависимость
оптического
ближнего
поля
от
величины
зазора
яв
ляется
сильно
нелинейной
функцией
(см.
(5.3)),
в
детектируемом
сигнале
будут
присутствовать
высокие
гармоники.
Эти
гармоники
могут
быть
выделены
при
ПОI\ЮШИ
гетеродинной
или
гомодинной
интерференционной
схемы.
На
рис.
5.15
пока
за
на
схема
используемой
для
этого
экспериментальной
установки.
При
помощи
высо
ких гармоник
ближнее
поле
может
быть
выявлено
с
большей
точностью.
Однако
номер
гармоники,
которую
мы
можем
для
этого
использовать,
ограничен
ШУl\lаI\IИ
измерения,
как
правило,
представляющими
собой
дробовой
шум
детектируеl\lОГО
сигнала.
Они
препятствуют
детектированию
слабого
вклада
в
сигнал
компонент
на
высоких
гармониках.
Компромиссным
вариантом
между
сильным
подавление~,
фона
и
приемлемым
шумом
является
измерение
третьей
гармоники.
На
рис.
5.15
показано
влияние
на
изображение
детектирования
на
третьей
гармонике
Установка.
показанная
на
рис.
5.15,
а,
используется
для
создания
проекционного
изображения
латексной
сферы.
Топография
изображения
показана
на
рис.
5.15.8
На
рис.
5.15.
г.
д
оптические
сигналы
детектированы
на
основной
частоте
колебаний
головки
и
на
третьей
гармонике
соответственно.
Третья
гармоника
содержит
гораздо
более
чистый
сигнал.
т.
к.
вклад
дальнего
поля
в
ней
подавлен
в
гораздо
большей
степени.
В
ЭТОI\I
также
можно
убедиться,
взглянув
на
соответствующие
кривые
аппроксимации.
рас
положенные
под
оптическими
изображениями
[32].
Необходимо
отметить,
что
модуляционные
методики
были
также
разработаны
для
дискретных
сигналов,
которые
возникают
при
потоке
единичных
фотонов
Со
ответствующие
методики
носят
название
техники
временной
метки
(timе-stаmрiпg)
В
этой
методике
записывается
время
прилета
единичного
фотона
(так
называеl\lая
временная
метка),
а
фиксируются
только
те
фотоны,
которые
попадают
в
определен
ное
временное
окно
[34].
Например,
считаются
только
те
фотоны,
которые
попадают
1)
SIAM
- Scanning interferometric apertureless microscopy -
Приме'l
пер