Новотный Л., Хехт Б. Основы нанооптики
Подождите немного. Документ загружается.
б
5 Onmu1lecKue
антенны
головки,
рассеиватели,
антенны-обабочка_
203
енты
усиления
[63. 64].
Еще
большее
усиление
было
обнаружено
в
тетраэдрических
rO.lOBKa>.
[61].
Было
также
обнаружено.
что
вне
зависимости
от
того.
какова
форма
ГО.lОВКИ.
поле
вблизи
ее
острия
может
быть
довольно
точно
описано
полем
эффек-
Рис
6
34
Сравнение
ближнего
поля
металлической
головки
и
металлической
сферы
а,
б
-
Возб}ждение
аксиальным
сфокусированным
(N
А
= 1,4)
гауссовым
пучком.
в,
г
-
Возбужде
Юlе
аксиальным
сфокусированным
гаусс-эрмитовым
пучком,
мода
(10).
Значительное
усиление
в
(8)
происходит
благодаря
продольному
полю
возбуждающего
пучка.
Поперечные
сечения
ВЫ'IИС.Jены
в
IIЛОСКОСТИ,
расположенной
на
1
нм
ниже
головки.
Результаты
указывают
на
то.
что
распределение
поля
вблизи
головки
хорошо
аппроксимируется
дипольным
полем
неБО.1ЬШОЙ
сферы
Однако
напряженность
поля
продольного
возбуждения
(в)
много
больше
напряженности
поля
облучаемой
сферы
(г)
Кроме
того,
если
на
рисунках
а.
б
поля
находятся
8
фазе,
то на
рисунках
в,
г
отличаются
по
фазе
на
1550
тивного
диполя
11
(o.A.J)
,
расположенного
в
центре
на
вершине
головки
(см.
рис.
6.34),
ве.lичина
которого
задается
выражением
(6.28)
Г.1.е
ось
:
совпадает
с
осью
головки.
Поле
Ео
-
это
возбуждающее
электрическое
ПО<lе
В
отсутствие
головки,
а
(t.L
и
all -
поперечная
и
продольная
поляризуемости,
за.1.аваемые
выражениями
( )
зе(UJ)-1
a.L
UJ
= 41rE:OTo
e(UJ)
+ 2 (6.29)
и
(6.30)
соответственно.
Здесь
~
-
объемная
диэлектрическая
постоянная
головки,
То
-
рад.иус
головки.
а
f,
-
комплексный
коэффициент
усиления.
Для
длины
волны
л
= 830
нм
в
случае золотой
головки,
диэлектрическая
проницаемость
которой
:-
=
-24.9
+ 17,1/,
радиус
"0
= 10
нм,
численный
расчет,
основанный
на
мето
.1е
взаимодеиствующих
мультиполей
1),
приводит
к
значению
для
коэффициента
" =
-7,8
+ 17,1/.
При
этом
поляризуемость
a.L
совпадает
с
поляризуемостью
неболь
шои
сферы,
а
величина
(ЧI
определяется
из
условия
на
величину
поля
диполя
JL(UJ)
на
поверхности
головки:
она
должна
быть
равна
численно
определяемому
полю,
1)
ММР
-
multiple
multlpole
method -
Прuмеч
пер
204
Гл б
Зонды
для
микроскопии
ближнего
поля
которое
мы
задали
в
виде
feEo.
Когда
диполь
головки
определен,
можно
записать
электрическое
поле
Е
вблизи
нее;
оно
имеет
вид
(631
)
где
го
задает
расстояние
от точки,
в
которой
расположен
диполь
JL,
а
G -
диадная
функция
Грина.
При
изучении
флуоресценции
усиленное
поле
используется
для
локального
воз
буждения
исследуемого
образца
в
более
высокие
электронные
состояния
или
зоны
Формирование
изображения
основано
на
последовательных
актах
испускания
флуо
ресценции.
Однако
флуоресценция
может
быть
подавлена
из-за
присутствия
зонда.
т.
е.
энергия
возбуждения
может
быть
передана
в
зонд,
а
затем
рассеяна
по
раЗНЫ~I
каналам
в
тепло
[65]
(см.
задачу
8.8).
Таким
образом,
имеет
место
конкуренция
двух
процессов:
усиления
поля
и
гашения
флуоресценции.
Может
ли
наблюдаться
усилен
ный
сигнал
флуоресценции
от
молекулы,
расположенной
вблизи
облучаемой
лазеРО~I
головки,
критическим
образом
зависит
от
формы
головки
и
условий
возбуждения.
причем
играет
роль
не
только
величина
усиливающих
поле
факторов,
но
и
их
фаза.
Было
показано,
что
металлические
головки,
возбуждаемые
сверх
короткими
ла
зерными
импульсами,
являются
источниками
излучения
второй
гармоники,
а
также
широкого
спектра
люминесценции.
Локальная
генерация
второй
гармоники
ИСПОJIЬ
зовалась
в
качестве
локализованного
фотонного
источника
для
изучения
поглощения
в
ближнем
поле
[66].
Так
как
генерация
второй
гармоники
представляет
собой
мгновенный
эффект,
измеренное
время
жизни
широкого
спектра
люминесценции
головки
оказалось
менее
4
пс
[67].
Изготовление
твердотеЛЬНbtх
металлических
головок
Технологии
изготовления
острых
металлических
головок
развивались,
в
основ
ном,
в
приложениях
ионной
силовой
микроскопии
[68],
а
также
сканирующей
тун
нельной
микроскопии
(СТМ)
(см.,
например,
[69]).
Реальная
геометрическая
форма
головки
оказывается
не
столь
значимой
в
приложениях
СТМ
дЛЯ
плоских
образцов
благодаря
наличию
выступающего
над
поверхностью
атома
и
достаточной
проводи
мости
вдоль
ствола
головки.
В
противоположность
этому,
в
оптических
приложениях
необходимо
также
контролировать
мезоскопическую
структуру
головки,
т.
е.
ее
ше
роховатость,
угол
схождения
на
конус,
радиус
кривизны,
а
также
упорядоченность
структуры
материала.
Далеко
не
любая
технология
травления
обеспечивает
достаточ
ное
«оптическое»
качество.
Поэтому
альтернативным
методом
для
контролируе~IOГО
изготовления
головок
может
служить
ионная
бомбардировка
[70].
При
электрохимическом
травлении
металлический
провод
погружается
в
травиль
ный
раствор,
а
затем
между
проводом
и
также
погруженным
в
раствор
противополож
ным
электродом
прикладывается
напряжение.
Поверхностное
натяжение
в
растворе
приводит
к
формированию
мениска
вокруг
провода.
Наиболее
быстро
травление
происходит
в
области
мениска.
Когда
провод
протравливается
насквозь,
находящаяся
в
растворе
нижняя
его
часть
падает
в
сосуд
с
раствором.
К
этому
моменту
головка
сформировалась
на
обоих
концах,
как
в
жестко
удерживаемой
верхней
части
провода,
так
и
в
нижней,
упавшей
на
дно
сосуда.
К
моменту
падения
верхняя
часть
головки
все
еще
находится
в
контакте
с
раствором
из-за
сформировавшегося
мениска.
По
этому
если
напряжение,
необходимое
для
травления,
не
будет
выключено,
процесс
травления
продолжится,
что
повлечет
изменение
свойств
остроты
головки.
ТаКИ~I
б
5
Оптические
антенны
головки,
рассеиватели,
антенны-~6а60чка»
205
образом,
чрезвычайно
важно
отключение
напряжения
в
момент
падения
нижней
части
Для
отслеживания
момента
падения
были
предложены
различные
электронные
схемы.
В
большинстве
из
них
для
травления
используется
постоянный
ток.
Однако
было
замечено,
что
для
определенных
материалов
травление
на
постоянном
токе
приводит
к
формированию
относительно
шероховатых
поверхностей.
Для
золота
и
серебра
преимушественным
методом
оказывается
травление
на
переменном
токе.
Схема
формирования
золотой
головки
показана
на
рис.
6.35.
Генератор
колебаний
специальной
формы
создает
периодическое
напряжение,
на
которое
наложен
опре
деленный
сдвиг.
Это
напряжение
пропускается
через
аналоговый
модулятор
и
затем
Аналоговый
KOMMyrarop
тока
в
напряжение
Рис
б
35
Схема
контура
переменного
тока
для
травления
золотой
головки.
Напряжение
автоыатически
выключается
при
снижении
кривизны.
Данный
контур
может
использоваться
и
.ыя
головок
из
другого
материала,
при
условии
что
раствор
HCI
будет
заменен
на
другой
траВИ.1ЬНЫЙ
раствор,
подходящий
для
этого
вещества.
Более
детальное
описание
см.
в
тексте
прикладывается
к
золотому
проводу,
вертикально
погруженному
в
раствор
соляной
кислоты
(HCl),
установленному
по
центру над
вторым
электродом
(Pt),
находящимся
непосредственно
под
поверхностью
раствора.
С
заземленного
второго
электрода
ток
травления
направляется
на
схему
преобразования
тока
в
напряжение.
Результирую
щее
напряжение
усредняется
при
помощи
среднеквадратичного
преобразователя
1)
и
затем
сравнивается
с
задаваемым
извне
пороговым
напряжением
при
помощи
компаратора.
В
начале
процесса
травления
диаметр
провода
и,
следовательно,
ток
травления
максимальны.
С
течением
времени
диаметр
и
ток
уменьшаются.
Диаметр
провода
уменьшается
быстрее
в
области
мениска,
что
и
приводит
К
фор
~lИрованию
головки.
Когда
диаметр
мениска
становится
достаточно
малым,
нижняя
часть
головки
падает вниз
и
ток
травления
резко
прекращается.
Следовательно,
среднеквадратично
стабилизированное
напряжение
на
входе
в
компаратор
падает
по
сравнению
с
предустановленным
порогом
напряжения,
на
выходе
компаратора
откры
вается
аналоговый
переключатель,
что
приводит
к
прерыванию
процесса
травления.
Так
как
производится
среднеквадратичное
преобразование
сигнала,
отклик
контура
не
~lOжет
возникать
быстрее,
чем
за
2-10
периодов
волны
генератора
колебаний.
Но
оказывается,
что
не
скорость
отклика
контура
является
ограничивающим
фак
тором
в
достижении
высокого
качества
головки;
гораздо
более
важными
условиями
являются
форма
импульса
генератора,
пороговое
напряжение,
концентрация
HCl,
г.lубина
погружения
второго
электрода,
длина
провода.
Эти
параметры
меняются
от
установки
к
установке
и
должны
определяться
эмпирически.
При
хорошем
наборе
этих
параметров
можно
получить
диаметр
головки
менее
20
нм
С
выходом
50
%.
Пример
такой
головки
показан
на
рис.
6.36.
Эта
головка
имеет
радиус
кривизны
около
IO
нм.
Необходимо
подчеркнуть,
что
изготовленные
головки
не
являются
монокристал
.1ами,
т.
е.
атомы
металла
не
образуют
периодической
структуры
в
ее
объеме.
На
са-
')
RMS
сопvегtег
-
Примеч
пер
206
Гл
6
Зонды
для
ми"рос"оnии
ближнего
поля
Рис
6.36
Золотая
головка,
вытравленная
из
золотого
провода
методом,
описанным
в
тексте
Радиус
кривизны
в
области
головки
около
10
нм
мом
деле
головка
состоит
из
набора
кристаллических
зерен
с
иногда
меНЯЮLЦейся
конфигурацией
решетки.
Природа
возникновения
таких
зерен
заложена
в
процессе
изготовления
исходного
металлического
про
вода
и
известна
уже
давно,
с
начала
эпохи
силовой
ионной
микроскопии.
В
силу
наличия
подобных
зерен
описание
ЭJ1ек
тромагнитных
свойств
головки
макроскопической
функцией
e(W)
является
довольно
грубым
приближением.
В
реальности,
как
правило,
коэффициент
усиления
оказыва
ется
заметно
меньше
того,
который
предсказывается
расчетами,
а
кроме
того.
сильно
меняется
от
образца
к
образцу.
Все
эти
наблюдения
скорее
всего
связаны
именно
с
зернистой
структурой
головок.
Качественное
сравнение
теории
и
эксперимента
с
учетом
эффектов
нелокальности
приводит
к
формулировке
необходимости
создания
металлических
головок
на
основе
единого
кристалла.
Для
подавления
шумов,
связанных
с
длительностью
экспозиции
образца,
облучаемого
лазерным
пучком,
Фрей
(Frey)
с
соавторами
впервые
преДЛОЖИJ1И
использовать
так
называемый
апертурно-игольчатый
зонд
(АИЗ).
В
таком
подходе
мини-головка
выращивается
непосредственно
на
конце
апертурного
зонда.
Принцип
изготовления
такого
зонда
показан
на
рис.
6.37.
Конец
готового
апертурного
зонда
подвергается
воздействию
сфокусированного
электронного
пучка
в
стандартном
сканирующем
электронном
микроскопе
(СЭМ).
Электронный
пучок
вызывает
рост
50
100
НЮ
200
2JiO
у(мм)
Рис
637
Геометрия
апертурно-игольчатого
зонда'
а.
6 -
схема
процесса
ИЗГОТОВ.~ения.
включая
формирование
небольшой
головки
и
последующее
напыление
металла,
в,
г
-
соответ
ствующие
процессу
на
схемах
(а)
и
(6)
изображения
возникающих
структур,
полученные
при
помощи
сканирующего
электронного
микроскопа;
д
-
флуоресцентныii
отклик
от
флуорес
центной
сферы.
находящеiiся
под
миниголовкой.
Сильная
локализация
по
вертикали
у"азывает
на
высокое
поперечное
разрешение
Заимствовано
из
[71]
65
ОnтИ'lеские
антенны
головки,
рассеиватели,
антенны-«бабочка»
207
углеродной
головки
в
месте
попадания
пучка
рис.
6.37,
а,
в.
Когда
завершается
процесс
роста
этой
«примесной
головки»,
зонд
покрывается
тонким
слоем
хрома
и
алюминия
напылением
под
углом,
как
показано
на
рис.
6.37,
б.
Это
приводит
К
пе
рекрытию
апертуры
за
исключением
щели
(см.
рис.
6.37,
г),
происхождение
которой
связано
с
тенью,
отбрасываемой
головкой.
Миниголовка
может
возбуждаться
через
узкую
щель
путем
простого
заведения
света
в
противоположный
конец
волокна.
На
рис.
6.37,
д
показан
флуоресцентный
отклик
такого
зонда
с
использованием
ф.1уоресцентноЙ
сферы
в
качестве
тестового
объекта.
Сильная
локализация
в
направлении
оси
::;
дает
основание
ожидать
получения
оптической
визуализации
ближнего
поля
очень
высокого
разрешения.
Зонды
типа
АИЗ
являются
очень
привлекательными
объектами
и
с
точки
зрения
смещения
и
позиционирования
го:ювки.
Освещаемая
извне
металлическая
головка
должна
удерживаться
внутри
освещаемой
площадки,
а
возникающие
со
временем
смещения
требуют
повторной
юстировки.
Следует
ожидать,
что
конфигурация
типа
АИЗ
будет
более
широко
использоваться
в
будущих
приложениях
ближнего
поля.
6.5.2.
Корпускулярно-плазмонные
З0НДЫ.
Динамика
газа
свободных
элек
тронов
в
геометрии
ограниченного
пространства
характеризуется
наличием
выде
.1eHHbJX
мод,
известных
как
поверхностные
плазмонные
резонансы
(более
детально
01
гл
12).
Эти
резонансы
сопровождаются
усилением
электромагнитных
полей.
По
дробно
разработанные
приложения
поверхностных
плазмонов
в
области
оптической
'Iикроскопии
ближнего
поля
предлагались
различными
группами.
В
предыдущей
Г.lаве
мы
обсуждали
усиливающие
поле
металлические
головки;
следует
упомянуть
в
числе
различных
вариантов
этих
приложений
и
незаурядную
методику,
предложен
ную
Весселом
(Wessel) [60].
Изящной
демонстрацией
принципа
плазмонного
зонда
явился
эксперимент
Фише
ра
(Fischer)
и
Поля
(Pohl),
проведенный
в
1989
г.
[72],
его
принципиальная
схема
показана
на
рис.
6.38,
а
Золотая
пластина
толщиной
20
нм
располагается
поверх
полистироловых
шариков,
адсорбированных
на
стеклянной
подложке
с
золотым
по
крытием.
Для
создания
в
золотой
подложке
поверхностных
плазмонов
используется
под.светка
кречманновского
(Kretschmann)
типа
(см.
гл.
12).
Рассеяния
поверхност-
а
б
в
-1О00нм
Рис
б
38
Корпускулярно-плазмонный
зонд а
-
Полистироловый
шарик
на
плоской
стеклян
ной
подложке.
покрытой
слоем
золота
толщиной
20
нм
И
освещаемый
в
геометрии
Кречманна
(Кгеtsсhmапп)
Рассеяние
выступающей
части
измеряется,
когда
образец
подводится
с
другой
стороны
б
-
Измеренная
интенсивность
рассеяния
в
зависимости
от
расстояния
от
частицы
.:10
поверхности
для
двух
случаев'
s-
и
р-поляризации.
в
-
Изображение,
записанное
в
ре
жиме
постоянной
высоты
с
использованием
туннельной
электронной
обратной
связи
Заимство-
вано
из
[72]
208
Гл.
б.
Зонды
для
.микроскопии
ближнего
поля
ных
плазмонов
на
выделенной
протрузии
(указанной
на
рис.
6.38,
а)
измеряются
как
функция
расстояния
между
рассеивателем
и
приближающейся
стеклянной
поверхно
стью
(см.
рис.
6.38,
в).
Основной
эффект,
связанный
с
изменением
этого
расстояния.
основан
на
том,
что
изменяется
средняя
диэлектрическая
постоянная
окружающей
среды,
а
это
при
водит
к
сдвигу
условий
резонанса
для
плазмона,
возникающего
на
протрузии.
Пик
наблюдается
только
случае
р-поляризации
и в
узком
интервале
пара
метров
вокруг
плазмонного
резонанса.
В
случае
в-поляризации
пик
отсутствует.
что
дает
дополнительные
основания
к
интерпретации
явления
в
терминах
поверх
ностных
плазмонов.
Очевидно,
что
наличие
резонансного
пика
можно
использовать
для
ближнепольной
оптической
визуализации
в
отраженном
свете,
т.
е.
отраженный
назад
свет
сильно
чувствителен
к
локальному
изменению
диэлектрической
среды
вблизи
протрузии.
На
рис.
6.38
показано,
что
эта
методика
позволяет
визуализиро
вать
металлические
вкрапления
в
стекле
с
высоким
разрешением.
Схожий
подход
был
впоследствии
использован
для
визуализации
магнитных
доменов
в
непрозрачных
материалах
[73].
Кроме
того,
полистироловые
частицы,
покрытые
золотой
плен
кой,
впоследствии
названные
н.ан.ора"уш"а.мu
1),
получили
применение
в
различных
светочувствительных
элементах,
о
чем
можно
прочитать
в
работе
Халаса
(Halas)
с
соавторами
[74].
Другим
примером
плазмонной
головки
может
служить
прибор,
показанный
на
рис.
6.39,
а-в.
Заостренное
волокно,
полученное
травлением
по
методике
Охтс}'
(Ohtsu),
см.
рис.
6.4,
покрывается
слоем
золота
толщиной
~
30
нм,
а
затем
вносится
в
эванесцентную
волну,
создаваемую
р-поляризованным
несфокусированным
ПУЧКОI\I
перестраиваемого
лазера
на
красителе
(см.
рис.
6.39,
г)
вблизи
границы
разде.1а
стекло-воздух.
Зазор
между
головкой
и
стеклянной
поверхностью
настраивается
в
Оптическое
волокно
СИИХРОИ-
г
сканиру~ю~
ный
уси-
Зонд
~
2
,/_
g
Е.
~
1i
(J;(J(J
'~M'
,!К,
- =
fl
О
~
О
==
1,.
u ,
----
~
4
:I=:
00
:s::
500
1i1iO
(j00 (j
-.11
Длина
волны
(нм)
Рис
6.39.
Плазмонный
волоконный
зонд.
а-в
-
изображения
со
сканирующего
электронного
микроскопа
и
схема
оптического
зонда;
г
-
установка
сканирующего
туннельного
оптического
микроскопа,
используемая
в
исследовании;
д
-
зависимость
света,
собираемого
ЗОНДО~I.
от
длин
волн.
На
вставке
представлено
сравнение
зондов
с
металлическим
покрытиеl\l
и
без
такового
Заимствовано
из
[75]
на
величину
~
5
нм.
Превышение
количества
света,
собираемого
плазмонным
ЗОНДОl\l
над
зондом
без
покрытия,
показано
на
рис.
6.39,
д
как
функция
длины
волны
возбуждающего
света.
Максимум,
расположенный
на
длине
волны
590
нм,
связан
с
возбуждением
плазмона
на
вершине
головки.
Сообщалось
также
о
сильной
зави
симости
резонанса
от
величины
зазора
[75].
1)
В
оригинале
nanoshells -
При.меч
пер
65
Оnтичес/(ие
антенны
голов/(и,
рассеиватели,
антенны-«6а60ч/(а~
209
в
работе
[75]
форма
металлической
частицы,
находящейся
на
вершине
головки,
задана
не
очень
точно,
что
затрудняет
количественное
сравнение
с
предположениями
теории
Более
контролируемый
подход
состоит
в
прикреплении
к
диэлектрической
головке
или
апертурному
зонду точно
заданной
сферической
или
эллиптической
метаJlJlической
наночастицы.
В
случае
апертурного
зонда
желательно,
чтобы
ча
стица
располагалась
в
центре
отверстия,
для
минимизации
связи
с
металлическим
покрытием
на
его
краях.
Оба
эти
подхода
были
реализованы.
На
рис.
6.40,
а
показа
но
изображение,
полученное
на
сканирующем
электронном
микроскопе,
химически
имплантированной
золотой
частицы
размером
60
нм
внутри
отверстия
апертур
НО
го
зонда.
Спектральный
отклик
такой
структуры,
т.
е.
отношение
коэффициентов
прохождения
света
с
частицей
и
без
нее,
содержит
максимум,
который,
возможно,
связан
с
возбуждением
плазмона,
что
приводит
к
усилению
излучения
системы
отверстие-частица
[76].
На
рис.
6.40,
б
показана
золотая
частица,
имплантированная
в
чистую
диэлектрическую
головку;
спектр
рассеяния
этой
системы
показан
на
рис.
6.40,
в.
Этот
спектр
хорошо
описывается
теорией
Ми
для
случая субволнового
рассеивателя.
а
___
200нм
Стекло
Золото
:s
400
~
...
!;зоо
§!
§!
200
~
!i:
100
:s::
AI
в
500 550
600
650
700
750
800
>..
(нм)
Рис
6
40
Локализованно-плазмонные
головки.
а
-
химически
имплантированная
золотая
частица
(диаметр
~
60
нм)
В
отверстии
(диаметр
~
200
нм)
кремниевой
головки,
покрытой
а.lюминием
Заимствовано
из
[76]
6 -
Химически
имплантированная
IOО-нанометровая
золо
тая
частица
на
вершине
диэлектрического
волоконного
зонда.
в
-
Спектр
света,
рассеянный
от
частицы
на
головке,
показанной
на
рис
6.
Рисунки
6
и в
заимствованы
из
[77]
6.5.3.
Антенна-<сбабочка»
как
зонд.
Оптическая
антенна
представляет
собой
наноструктуру
со
специально
подобранным
масштабом,
кратным
нечетному
целому
ПО.l0ВИНЫ
длины
волны
излучения,
с
которым
она
взаимодействует.
Как
обсуждалось
ранее,
главная
цель
создания
антенны
-
установить
эффективную
связь
между
даль
ним
и
ближним
полями
посредством
согласования
импедансов.
Область
ближнего
l-l
Л
НовотныЙ.
Б
Хехт
210
Гл
б.
Зон.ды
для
микроскопии
ближнего
поля
поля,
являющаяся
по
сути
..
входной
щелью.,
представляет
собой место
расположения
излучателя
или
приемника.
Изначально
теория
антенн
была
разработана
для
элек
тромагнитного
излучения
в
радиодиапазоне
частот.
Основываясь
на
инвариантности
уравнения
Максвелла
относительно
масштабного
преобразования,
можно
предпола
гать,
что
пара
метры
антенн
могут
в
оптическом
режиме
быть
просто
уменьшены
в
соответствующее
число
раз.
Однако
материальные
константы
при
переходе
из
микроволнового
в
оптический
диапазон
изменяются
очень
существенно.
Если
в
мик
роволновом
диапазоне
металлы
еще
могут
рассматриваться
как
идеальные
проводни
ки,
в
оптическом
диапазоне
такого
предположения
сделать
нельзя.
Следовательно.
оптическим
антеннам
приходится
бороться
с
потерями,
но
они
могут
выигрывать
за
счет
коллективных
электронных
резонансов,
т.
е.
поверхностных
плазмонов,
которых
не
существует
в
традиционных
антеннах.
Использование
поверхностных
плазмонных
резонансов
в
конструировании
оптических
антенн
представляется
весьма
обнадежи
вающим
в
плане
компенсации
тепловых
потерь.
И
хотя
создание
оптических
антенн
было
во
многом
вдохновлено
разработками
в
радиочастотном
и
микроволновом
диапазонах,
следует
ожидать,
что
обнаружение
здесь
новых
физических
явлений
потребует
исследования
новых
геометрий
и
сочетания
материалов
[59].
а
б
Длина
волны
Рис.
641
Антенна-.бабочка.
как
зонд
а
-
Геометрия
антенны
б
-
Эксперимента.1ьная
установка,
используемая
для
демонстрации
работоспособности
на
микроволновых
частотах
в,
г
-
Измеренное
распределение
интенсивности
в
присутствии
и в
отсутствие
антенны.
устанавливаемой
перед
волноводом.
Заимствовано
из
[781
Антенна-
..
бабочка.
является
антенной
с
практически
идеальным
согласованием
импедансов.
Применение
этой
антенны
в
области
оптики
ближнего
поля
было
впер
вые
предложено
в
1997
г.
совместно
с
микроволновыми
экспериментами,
обосновы
вающими
принцип
ее
работы
[78].
Эти
эксперименты
ясно
показали,
что
субво.l
новая
локализация
электромагнитного
излучения
может
быть
получена
с
помошью
структуры
типа
антенна-
..
бабочка
•.
Более
того,
было
показано,
что
при
оптимиза
ции
согласования
импедансов
можно
получить
очень
эффективную
подачу
электро
магнитной
энергии
в
область
ближнего
поля
(большую
пропускную
способность)
Изготовлением
оптических
антенн-
..
бабочек.
занималось
несколько
научных
групп.
Для
того
чтобы
работать
в
качестве
ближнепольного
оптического
зонда,
..
бабочка»
б б
Задачи
211
.10.1жна
устанавливаться
на
обеих
сторонах
острой
диэлектрической
головки
по
аналогии
с
зондом
атомно-силового
микроскопа.
6.6.
ЗаКJIючение
в
настоящей
главе
мы
представили
обзор
различных
типов
зондов
для
оптики
б.ll1жнerо
поля,
обсудили
разнообразие
зондов,
связанное
с
различными
свойствами
из.JучениЙ
ближнего
и
дальнего
поля,
а
также
схем
детектирования.
Знания
теоре
тических
основ
недостаточно,
необходимо
умение
пони
мать,
как
приложить
конкрет
ную
зондовую
структуру
К
реальной
задаче.
Мы
также
рассматривали
процедуры
их
изготовления
и
возможные
проблемы,
которые
возникают
в
процессе
использования
таких
структур.
Данная
глава
не
претендует
на полноту,
т.
к.
разработка
новых
концепций
и
геометрий
для
зондов
является
сферой
очень
активного
развития,
и
в
б.~ижаЙшие
годы
можно
ожидать
притока
инноваций
в
этой
области.
Мы
не
ОlOг.1И
здесь
рассказать
обо
всех
описанных
в
литературе
зондовых
структурах
и
технологиях
их
изготовления,
однако,
чтобы
сделать
наш
обзор более
или
менее
.1аконичным,
мы
попытались
осветить
наиболее
важные
и
показательные
работы.
6 1
6.2.
63
64
Задачи
Получите
распределение
интенсивности
в
стоячей
эванесцентной
волне
на
гра
нице
раздела
стекло-воздух,
создаваемое
двумя
встречными
эванесцентными
волнами
одинаковой
интенсивности
и
поляризации.
Рассмотрите
линейный
про
филь
в
направлении,
перпендикулярном
интерференционным
полосам,
и
рас
считайте
свертку
с
гауссианом
заданной
полуширины.
Как
влияет
полуширина
на
видность
интерференционных
полос?
Получите
разность
коэффициентов
прохождения
через
апертурный
зонд,
по
"РЫТЫЙ
алюминием,
и
апертурный
зонд
с
покрытием,
обладающим
бесконечной
проводимостью.
Считайте,
что
диаметр
отверстия
составляет
100
нм,
а
угол
схождения
на
конус
8 =
100.
Получите
поля
вблизи
идеально
проводящего
диска
с
помощью
принципа
Бабине.
С
помощью
решений
Баукампа
получите
поля
в
плоскости
диска.
Рассчитайте
генерацию
второй
гармоники
на
металлической
головке,
освеща
емой
лазером.
Считайте,
что
поля
вблизи
головки
задаются
соотношениями
(6
28)-(6.31)
и
что
генерация
второй
гармоники
обусловлена
локальной
поверх
ностной
нелинейностью
\i
2
).
Нелинейная
поверхностная
поляризация
опреде
ляется
полем,
нормальным
к
поверхности
головки,
Е
n
и
имеющим
вид
Р
'(
,
2·
,)
- S
(-2'
)E(vac)(, )E(vac)(, )
11
Г,
Ш
- X
llrl1l
W,W,W n
г,"'"
n
r,W,
(6.32)
где
индекс
п
-
нормаль
к
поверхности,
вектор
г'
-
точка
на
поверхности
головки,
а
верхний
индекс
уас
указывает
на
то,
что
поля
вычислены
на
границе
со
стороны
вакуума.
Поле
на
частоте
второй
гармоники,
генерируемое
Р",
вычисляется
по
формуле
E(r,2w)
=
.!..
(2~)2
J
Б(г,
г',
2w)PS(r', 2w)d
2
r'. (6.33)
100
с-
Е
Рассматривайте
только
компоненту
G,
ответственную
за
ближнее
поле,
для
поверхности
интегрирования
возьмите
полусферу.
Определите
эффективный
дипольный
момент
головки,
осциллирующий
на
частоте
второй
гармоники.
212
Гл.
б.
Зонды
для
микроскопии
ближнего
поля
Список
литературы
1.
Carminati R., Nieto-Vesperinas
М.,
and Oreffet 1.-1. Reeiproeity
of
evaneseent eleetromag-
пеНе
waves
//
J Opt. Soe.
Ат.
А.
1998.
У.15.
Р
706
2.
Porto 1
А.,
Carminati
R,
and Oreffet 1.-1 Theory
of
eleetromagnetie
field
imaging and
speetroseopy in seanning near-field optieal mieroseopy / / J
Аррl
Phys 2000 V 88
Р.
4845-4850.
3.
Тиrnег
D.
R. Eteh Proeedure for Optical Fibers / / United
States
patent, 4,469,554 1984
4.
НоПmаnn
Р.,
Dutoit
В
, and Salathe R.-P Comparison
of
mechanically drawn and protection
'ауег
chemically etched
орНсаl
НЬег
tips / / Ultramicroseopy. 1995. V
61
Р
165-170
5.
Stбсklе
R.
М
, Fokas
С.,
Deckert
V,
et
al., High-quality near-field
орНсаl
probes
Ьу
tube
etching
//
Appl. Phys. Lett. 1999.
У.75.
Р.160-162
6.
Pangaribuan
Т.,
Yamada
К.,
Jiang S., Ohsawa
Н.,
and Ohtsu
М.
ReproducibIe fabrication
technique of nanometric tip diameter
НЬег
ргоЬе
for photon seanning tunneling microseope / /
Jap.
J.
Аррl
Phys. 1992.
У.31.
Р
L1302.
7.
Yatsui
Т.,
Kourogi
М.,
and Ohtsu
М.
Increasing throughput
of
а
near-field optical fiber
рroЬе
оуег
1000 times
Ьу
the use
of
а
triple-tapered
structure
/ / Appl Phys Lett 1998
У.73
Р
2089-2091.
8 Neher
Е
and Sakmann
В.
Noise analysis of
drug
induced voltage clamp eurrents
in
denervated frog musele fibres / /
J.
Physiol. (Lond ) 1976. V 258
Р
705-729
9.
Valaskovic
О.А.,
ноиоn
М.,
and Morrison
О.Н
Parameter control, eharaeterization. and
optimization
in
the fabrication
of
optieal
НЬег
near-field probes / /
Аррl
Opt 1995 V 34
Р.1215.
10 Adelmann Ch., Hetzler 1., Scheiber
О,
et al Experiments
оп
the depolarization near-field
scanning optical microscope / /
Аррl
Phys. Lett 1999 V 74
Р
179
11
Meixner
А
1,
Ворр
М.А.,
and Tarrach
О
Direct measurement
of
standing evanescent
waves with
а
photon scanning tunneling microscope / /
Аррl
Opt. 1994 V 33
Р
7995
12
Fischer
и
Ch., Koglin 1., and Fuchs
Н.
The tetrahedal tip as
а
ргоЬе
for scanning near-field
optical microscopy
at
30
пт
resolution / /
J.
Microsc. 1994 V 176.
Р
231-237
13.
Naber
А
,Molenda D., Fischer
и
С,
et al. Enhanced light eonfinement
in
а
near-field optical
ргоЬе
with
а
triangular aperture / / Phys.
Rev.
Lett. 2002.
У.89
Р
210801
14
Marcuse D Light Transmission Optics. - Malabar: Krieger, 1989
15.
Hecht
В.,
Bielefeldt
Н.,
Pohl
D.
W., Novotny L , and Heinzelmann Н Influence
of
detection
conditions
оп
near-field optical imaging / /
J.
Appl. Phys. 1998. V 84
Р
5873
16
Krausch
О.,
Wegscheider S ,
Кirsch
А
, et al Near
fie1d
microscopy and lithography \\'Ith
uncoated
НЬег
tips:
а
comparison / / Opt.
Сот
т
1995.
У.
119
Р
283-288
17
Hecht
В.,
Sick
В.,
Wild
U.
Р
, et al Seanning near-field optica1 microscopy with aperture
probes Fundamentals and applieations / /
J.
Chem Phys 2000
У.
112
Р
7761-7774
18.
Novotny L and Hafner
С
Light propagation in
а
eylindrical waveguide with
а
complex.
metallic dieleetric funetion / /
Phys. Rev.
Е.
1994.
У.50.
Р
4094
19
Novotny L , Pohl
D.
W., and Hecht
В
Seanning near-field optical
ргоЬе
with ultrasmall spot
size / /
Opt. Lett 1995
У.20.
Р.970.
20.
Stбсklе
R.M.,
Schaller N , Deckert V., Fokas
С,
and Zenobi R Brighter near-field optical
probes
Ьу
means of improving the optical destruction threshold / / J Microsc 1999 V
194
Р
378-382.
21.
Novotny
L.
and Hafner
С.
Light propagation
in
а
cylindrical waveguide with
а
complex.
metallic, dielectric function / /
Phys. Rev
Е
1994.
У.50.
Р
4094-4106
22 Knoll
В.
and Keilmann
Р.
Electromagnetic fields
in
the cutoff regime
of
tapered metallic
waveguides
//
Opt.
Сотт.
1999. V 162.
Р
177-181
23
Novotny L., Pohl
D.
W , and Hecht
В
Scanning near-fie1d optical
ргоЬе
with ultrasmall spot
size / /
Opt Lett. 1995.
У.20.
Р.970-972.
24 Bethe
Н.
А
Theory
of
diffraction
Ьу
small holes / / Phys
Rev.
1944 V 66
Р
163-182