Новотный Л., Хехт Б. Основы нанооптики
Подождите немного. Документ загружается.
5 2
Подсветка
в
ближнем
поле
и
детектирование
в
дальнем
поле
153
на
датчик
в
течение
короткого
времени
до
и
после
того,
как
головка
максимально
приблизится
к
поверхности
образца.
Кроме
ЛУЧlllей
чувствительности,
этот
метод
обладает
тем
преимуществом,
что
для
обработки
получаемых
данных
могут
быть
применены
различные
методики,
в
зависимости
от
характеристик
сигнала,
который
.Щ.1жен
быть
извлечен
из
этих
данных.
На
рис.
5.16
показано,
как
связаны
между
собой
временные
метки
оптической
информации
и
временные
метки
информации
о
ПОJ10жении
зонда.
Хотя
мы
классифицировали
представленные
Bblllle
экспериментальные
схемы,
ис
по.1ЬЗУЯ
характер
внешней
подсветки
зонда
как
.подсветку
в
ближнем
поле
и
детекти-
"
,=
~
I
~
с).
Диполь
исследуемоro
Е.
~.
'!\;;емеfП8
t
~польrоловки
Образец
Вибрирующая
головка
б
о
[]
экспериментальные
данные
-
аппроксимация
50
100
Расстояние
между
образцом
и
головкой
(им)
050нм
Рис
5
14
Сканирующий
интерферометрический
безапертурный
микроскоп
(SIAM).
а
-
Прин
ципиальная
схема
установки
[33]
б
-
Затухание
оптического
сигнала
с
расстоянием.
Длина
затухания.
равная
примерно
20-30
нм,
является
мерой
поперечного
разрешения,
которое
~lOжет
быть
получено
в
такой
схеме
в
-
Изображение
изготовленного
электронным
пуч
KO~'
бита.
полученное
при
помощи
АСМ
Обратная
связь
в
АСМ
позволяет
поддерживать
неизменным
среднее
растояние
между
головкой
и
образцом.
г
-
Одновременно
записанное
SIАМ-изображение
Детализация
картинки
составляет
50
нм
Заимствовано
из
[33,
35]
154
Гл
5
Нанораэмерная
оnтичес/(,ая
ми/(,рос/(,оnия
рование
в
дальнем
поле.,
эта
классификация
не
вполне
точна.
Причина
заключается
в
том,
что
взаимодействие
между
образцом
и
зондом
влияет
как
на
оптический
путь.
связанный
с
процессом
возбуждения,
так и
на
оптический
путь
детектирования.
Точнее
было
бы
назвать
такие
схемы
схемами
локального
взаимодействия,
а
зонд
рассматри
вать
как
своего
рода
оптическую
антенну
(см.
разд.
6.5)
Антенна
предполагает
на.;lИ
чие
двух
соответствующих
друг
другу
функций:
она
помогает
каналировать
излучение
в
локальное
пятно
на
образце,
и,
кроме
того,
способствует
возникновению
оптического
отклика
и
преобразованию
его
в
излучение
в
дальнем
поле.
а
..
..
.....
..
.,
••
••
".
.....
..
..
Синхронный
д+lIП
б
Лазер
о
200 400
600
800
1000
Z
(нм)
L..-
__
...J!
LII
O,06+------'---'----'--.L...--+
_0,04
r:Q
::s
:;.
0,02
о
200 400
600
800
1000
:
(нм)
Рис
5
15
Установки для
сканирующего
оптического
микроскопа
на
принципе
рассеяния
с
ис
пользованием
гетеродинного
(а)
и
гомодинного
(6)
детектирования
Изображения,
полученные
в
сканирующем
оптическом
микроскопе
на
принципе
рассеяния
в
-
Топография
проекцион
ных
изображений
латексной
сферы
г
-
Верхний
рисунок.
изображение
в
рассеянном
свете
на
основной
частоте
осцилляции
уровня
головки.
Нижний
рисунок
кривая
аппроксимации.
на
которой
видны
интерференционные
полосы,
обусловленные
вкладом
дальнего
поля
д
Верхний
рисунок
изображение
в
рассеянном
свете
на
третьей
гармонике
осцилляции
уровня
головки,
содержащей
только
сигнал
ближнего
поля.
Заимствовано
из
[32)
5.з
Поdсветка
в
dальнем
поле
и
детектирование
в
ближнем
поле
Дстек
I
ируем
ые
фотоны
Рассгояние
между
головкой
и
обращом
,
,
,'-',
" " " "
,,-,
I \ I , I \ I
I
\ I , I \ I
I I \ I \
~
~~-'------~~·------~··------~~~----~~Время
155
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
в
предыдущем
разделе
образец
локально
освещался
источником
ближнего
поля,
а
оптический
отклик
записывлсяя
при
помощи
стандартной
оптики
дальнего
поля.
В
этом
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).
156
Гл.
5
Наноразмерная
оnтuческая
мuкроскоnия
Q
Дexeкrop
--""",
kY
$
~
...
--
..
лазер
.
~'-"._-I._
Поглотитель
пучка
б
t
в
~
=!
1
~
i
ID
:S::
i=
oL---~~~
..
~
о
200
НК!
Размер
зазора
[нм]
Рис
5
17
Сканирующая
туннельная
оптическая
микроскопия
или фотонная
сканирующая
туннельная
микроскопия
(STOM/PSTM):
а
-
стандартная
установка
прозрачный
образец
на
верхней
грани
призмы,
освещаемый
при
помощи
пучка,
испытавшего
полное
внутреннее
отражение,
б
-
область
зазора
в
увеличенном
масштабе,
показана
диэлектрическая
головка.
погружаемая
в
эванесцентное
поле
над
поверхностью
образца,
8 -
экспоненциальное
зат)
ха-
ние
оптического
сигнала,
направляемого
к детектору
в
зависимости
величины
зазора
Рис.
5
18
Распределение
поля вблизи
оптического
микрорезонатора,
построенное
при
помощи
фотонной
туннельной
микроскопии
а
-
Топографическое
изображение
дискового
резонатора.
соединенного
с
волноводом
(слева).
б-г
-
SТОМ-изображения
распределений
поля
при
трех
различных
масштабах
увеличения,
на
которых
видны
биения
(8)
и
стоячие
волновые
распределения
с
периодом
190
нм
(г).
В
верхних панелях
показаны
кривые,
полученные
ВДО.1Ь
линий,
указанных
на
нижних
рисунках
Заимствовано
из
[36]
Описание
распределений
поля
в
туннельной
фотонной
м,икроскоnии
В
первом
приближении
изображения,
полученные
при
помощи
фотонной
тун
нельной
микроскопии,
соответствуют
распределению
электромагнитного
поля
вбли
зи
поверхности
образца.
Это было
доказано
путем
сравнения
экспериментальных
результатов
с
решениями
уравнений
Максвелла.
В
последующем
мы
обсудим
показа
тельный
в
этом
отношении
эксперимент,
выполненный
на
металлической
нанострук
туре,
возбужденной
полным
внутренним
отражением
[39].
Структура
представляет
собой
100
х
100
х
40
нм
3
частицу
золота,
изготовленную
при
помощи
электронной
5 3
Подсветка
в
дальнем
поле
и
детектирование
в
ближнем
поле
157
.1итографии
и
расположенную
на
прозрачной
ПО-подложке
1).
В
качестве
возбужда
ющего
поля использовался
р-поляризованный
лазерный
луч
с
длиной
волны
633
нм.
Было
определено,
что
структура
имеет
электромагнитный
резонанс на
длине
вол
ны
640
нм.
На
рис.
5.19,
а
показано
смоделированное
при
помощи
метода
дискретной
функ
ции
Грина
(см.
гл.
14)
распределение
интенсивности
в
плоскости,
находящейся
на
высоте
140
нм
над
ПО-подложкой.
Значение
высоты
найдено
эмпирическим
путем
из
соображений
наилучшего
совпадения
теории
и
эксперимента
[39].
Думается,
что
здесь
наилучшим
образом
отражена
эффективность
диэлектрической
головки
в
отношении
собирания
света.
На
рис.
5.19,
б
представлен
уже
экспериментальный
образец
распределения
поля,
записанный
при
помощи
фотонной
туннельной
мик
роскопии
на
постоянной
высоте
45
нм.
Разница
высот
для
случая
теоретических
вычислений
и
эксперимента
связана
с
тем,
что
свет
проникает
в
верхнюю
часть
ВО.10кна
в
пределах
довольно
пространной
области.
'i'
4J.4
О О
4
4J
4
О
0.4
.,.
(МКМ)
х
(МКМ)
х
(мкм)
Х
(МКМ)
Рис
5
19
а
-
Моделирование
распределения
поля
частицы
золота
1()()
х
1()()
х
40
нм
3
,
изготовленной
при
помощи
электронной
литографии
на
прозрачной
ПО-подложке.
Располо
жение
квадрата
золота
показано
белыми
линиями
Поле
вычисляется
на
высоте
140
нм
над
поверхностью
б
-
Измеренное
распределение
поля
над
поверхностью
частицы
золота
на
постоянной
высоте
(зазор
< 45
нм)
с
использованием
фотонной
туннельной
микроскопии.
в
-
Линейная
конфигурация
частиц
золота
размером
100
х
100
х
40
нм
3
,
разделенных
расстояни
e~,
100
НI\I
Значительно
большая
локализация
поля
обусловлена
коллективными
эффектами.
Заимствовано
из
[39]
Получение
экспериментальных
картинок
в
режиме
постоянной
высоты
обуслов
.1ено
желанием
избежать
топографических
помех,
о
которых
мы
будем
говорить
в
гд.
7
Теоретические
и
экспериментальные
изображения
находятся
в
хорошем
качественном
согласии
между
собой.
В
частности,
на
обоих
изображениях
ясно
видны
два
пятна
(ширина
на
полувысоте
250
нм),
отвечающие
резонансному
возбуж
.lению.
Во
втором
эксперименте
несколько
золотых
квадратиков
были
расположены
в
.1инеЙную
цепочку
и
возбуждались
при
помощи
полного
внутреннего
отражения
с
поляризацией,
направленной
вдоль
линии
цепочки.
Измеренное
распределение
бv1ижнего
поля пока
за
но на
рис.
5.19,
в
(левый
рисунок).
Видно,
что
по
сравнению
с
ситуацией,
когда
был
один
квадратик,
интенсивность
значительно
сильнее
локали
зована
(ширина
на
полувысоте
~
90
нм
).
Соответствующее
модельное
распределение
находится
в
хорошем
согласии
с
экспериментальным
образцом
и
дает
основание
считать,
что
поле
сосредоточено
между
металлическими
квадратиками.
1)
Пленка
оксидов
индия
и
олова
-
Прuмеч
пер
158
Гл.
5
Нан.оразмерн.ая
оптическая
микроскопия
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]
Es(x.
у)
=
As(x,
у)
exp[i(LVot
+
Фs(х,
у)
+
1:1..,.)].
ER(;Z;,
у)
= AR(X,
у)
exp[z(LVot
+
дLV
+
f3H
)].
~------------~~~~~----:Д~еюroр
+-----+--
_
..
Синхрон.
Амплитуда
Фаза
ПОГJIотитель
пучка
(54)
(5.5)
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
5 3
Подсветка
в
да.льнeJ.t
поле
и
детектирование
в
ближнем
поде
159
интерферирует
с
опорным
полем
и
направляется
на
фотодетектор.
Результирующий
сигнал
имеет
вид
1 =
IAs(.r.,
y)1
2
+
IA
n
l
2
+
2AR
.
As(x,
у)
cos[-8Ц)t
+
Фв(х,
у)
+
f3s
-
PR].
(5.6)
Та
кои
сигнал
имеет
постоянную
компоненту
и
компоненты,
осциллирующие
на
частоте
БЦ).
И
амплитуда,
и
фаза
сигнала
содержат
важную
информацию. Получить
ее
можно
на
двух
выходном
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
Т
Аfоо-моду
а
-
Топография,
выполненная
при
помощи
поперечно-силового
резонатора
6 -
Распределение
амплитуды
поля.
в
-
Косинус
измеренного
распределения
фазы
Заимствовано
из
[40]
-----
,-
-----=
Рис
5
22
Энанесцентные
поля
вблизи
канального
SiзN4-волновода,
показанного
на
рис
5
21.
а
Линейно
поляризованный
свет
возбуждает
одновременно
Т
Е-
и
Т
А/
-моды.
а
-
Измеренная амплитуда
оптического
поля
внутри
волновода
Отчетливо
наблюдается
эффект
биений
6 -
Измеренное
распределение
фазы
оптического
поля.
Показан
косинус
фазы
Видно
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.
Заимствова-
но
из
[40]
160
Гл.
5.
Наноразм,ерная
оптическая
м,икроскоnия
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
Т
А1
00
-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
Т
А!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.).
18
I
Ш
I
xyz-cкaнep
I
о
.
.
~
...
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-
5 4
Подсветка
в
ближнем
поле
и
детектирование
в
ближнем
поле
161
стве
дифракционно-ограниченного
пятна
не
позволяют
при менять
эту
методику
для
фоточувствительных
материалов.
На
сегодняшний
день
применение
многомодовой
оптической
микроскопии
ближнего
поля
ограничено
специальными
приложениями,
такими
как
построение
распределений
полей
в
лазерном
фокусе
[45]
и
в
выходной
плоскости
лазерного
диода
[46].
5.4.
Подсветка
в
ближнем
поле
и
детектирование
в
ближнем
поле
в
этом
разделе
мы
будем
обсуждать
экспериментальные
схемы,
в
которых
как
подсветка,
так
и
детектирование
производятся
в
режиме
ближнего
поля.
Простейшая
схема.
изображенная
на
рис.
5.24,
так
называемая
сканирующая
ближнепольная
:'lИкроскопия
(SNOM)
1),
представляет
собой микроскоп,
в
котором
используется
во.l0КОННЫЙ
или
апертурный
зонд
для
возбуждения
образца
и
собирания
оптического
отклика
В
случае
безоболочечного
волоконного
зонда
свет
должен
пройти
через
го
.10ВКУ
дважды,
и
поэтому
разрешение
повышается
по
сравнению
с
конфигурациями,
в
которых
волноводный
зонд
используется
исключительно
для
подсветки.
В
случае
использования
волоконного
зонда
как
для
подсветки,
так
и
для
детектирования
бы.l0
получено
разрешение
порядка
150
нм
на
длине
волны
633
нм
[47].
С
другой
а
Детектор
б
Детектор
t
F
F
-l
t
Лазер
...
BS
Лазер
_.
.~
t
FC
,
Рис
5
24
Принцип
микроскопии
ближнего
поля
в
режиме
двойного
обхода
Зонд
используется
l,aK
.l,1я
возбуждения,
так
и
для
детектирования.
Реализация
схемы
с
(а)
внешней
светодели
тельной
пластиной,
(б)
Т-образным
волоконным
соединением
стороны,
зонды
апертурного типа
редко
используются
в
конфигурации
.двоЙного
прохода.)
из-за
возникающих
ограничений
на
отношение
сигнала
к
шуму.
Пропускная
способность
субволновой
апертуры
очень
мала,
а
если
свет
проходит
через
нее
дважды,
то
эта
величина
становится
еще
меньше
(см.
гл.
6).
Однако
пропускную
способность
можно
оптимизировать
при
помощи
волокон
с
металлическим
покрытием
и
большим
углом
схождения
на
конус,
можно
также
использовать
зонды
с
двойным
конусом.
Саики
(Saiki)
с
соавторами
показали
возможность
визуализации
одиночной
~!Олекулы
с
разрешением
~
20
нм
В
режиме
.двоЙного
прохода»
через
апертурный
зонд
[48].
Микроскопия
ближнего
поля
в
конфигурации
.двоЙного
прохода» является
незаменимой
в
многочисленных
технических
приложениях,
связанных
с
необходи
:,!Остью
визуализировать
непрозрачные
образцы,
в
том
числе
в
методах
хранения
1)
SNOM
- scanning near-fteld optical microscopy -
сканирующая
оптическая
микроско
пия
б.1ижнего
поля
-
Примеч.
пер.
\\
.1
НОВОТIJЫЙ.
Б
Хехт
162
Гл
5
Наноразмерная
оптическая
микроскопия
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
Рассеянный
Падающий
свет свет
............ .........
,..,.
........... ; :........ \'f""'''' >
..".""
>
...
.."
........
....,'·
..
··./~
')о
..
.,:;..........
'-r"""
'""
......
,.
..,.
АI
....
;
....
....:
....
,,1..,
.............
~:...,,,,
• ,.""."'"
Зонд
~
туннельныи
контакт
Рис
5.25.
Вариант
SNOM
в
геометрии
на
отражении
Субволновая
апертура
(слева)
осве
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
Заимство-
вано
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