Зонд мікроскопа ближнього поля для проведення поляризаційних вимірювань

Зонд мікроскопа ближнього поля для проведення поляризаційних вимірювань, що виконаний Винахід належить до оптичної техніки оптичні мікроскопи ближнього поля, а саме, конструкція зонда мікроскопа Для спостереження за об'єктами субмікронних розмірів використовують оптичні системи з лазерним випромінюванням в ультрафіолетовому діапазоні, імерсійні оптичні системи як рідинні, так і твердотільні Роздільна здатність таких систем обмежена дифракцією на апертурі фокусуючої системи та не перевищує Я,/2п, де п - показник заломлення речовини між лінзою й об'єктом дослідження або речовини імерсійної лінзи для системи твердотільної імерсії Відома оптична система, що дозволяє отримати роздільну здатність субхвильового розміру, яка складається з джерела випромінювання та непрозорого екрана з субхвилевим отвором [1, 2] (оптичний мікроскоп ближнього поля) Для досягнення такої роздільної здатності досліджуваний об'єкт розміщують у ближній дифракційній зоні отвору, на відстані, що не перевищує розмір отвору В кожний момент досліджується тільки поверхня об'єкта в околиці отвору Весь об'єкт обстежується скануванням поверхні шляхом переміщення апертури діафрагми вздовж досліджуваного об'єкта Для досягнення можливості сканування вздовж у вигляді відрізка оптоволокна або прозорої діелектричної трубки з вузьким дистальним кінцем конічної форми, на бічну поверхню якого нанесено провідне металеве покриття, який відрізняється тим, що вказане покриття нанесено у вигляді чотирьох непрозорих провідних ізольованих одна від одної повздовжніх смужок, розташованих попарно одна навпроти одної і симетрично відносно осі зонда, які утворюють дві мікросмужкові лінії з ортогональними поляризаціями, що мають звужені ділянки біля вершини конуса, для розповсюдження в них поперечних електромагнітних хвиль і одержання на апертурі зонда довільної поляризації світла нерівної поверхні найбільш застосованою конструкцією такого мікроскопа є конструкція, в якій апертура розміщена на гострому кінчику зонда мікроскопа з круглим поперечним перерізом Оптичні характеристики такої конструкції не залежать від поляризації лазерного променя і такий зонд дозволяє проводити поляризаційні вимірювання [3] Для слідкування та дотримання однакової відстані між зондом і поверхнею зонд рухається над поверхнею, одночасно виконуючи високочастотні малоамплітудні коливання у вертикальній площині Внаслідок взаємодії зонда з поверхнею об'єкта амплітуда коливань залежить від відстані між ними Величина коливань вимірюється інтерференційними методами Сканування проходить у режимі однакової амплітуди високочастотних коливань Недоліком конструкції такого мікроскопа ближнього поля на основі апертури в непрозорому екрані є мала оптична ефективність (використовується мала доля світла, що падає на субхвильову апертуру діафрагми) Причому оптична ефективність такого мікроскопа швидко падає зі зменшенням розмірів апертури як куб площі апертури [4, 5] Відома конструкція, яка є аналогом запропонованої конструкції зонда мікроскопа ближнього поля, запропонована Льюісом (Lewis) і ш [6] Щоб одержати вузький зонд, який здатний слідкувати за О со (О 00 ю 58634 досліджуваним об'єктом - області обриву смужок поверхневими контурами, запропоновано конструна вершині конуса Крім того, в області взаємодії кцію оптичного зонда мікроскопа ближнього поля у нема металевого екрана, який призводить до еквигляді витягнутої піпетки Зовнішня сторона меранування падаючого променя і як наслідок до талізована з апертурою на торці Така конструкція має низьку оптичну ефективмалої оптичної ефективності у стандартних зондів ність через ІСТОТНІ втрати інтенсивності світла при Як показали наші теоретичні дослідження [4], опдосягненні апертури на КІНЦІ зонда і через малу тична ефективність запропонованого зонда буде пропускну здатність апертури в непрозорому екразменшуватися ЛІНІЙНО ВІДНОСНО ПЛОЩІ поперечного ні перетину області взаємодії зонда з об'єктом (як Відома конструкція, яка є аналогом запропоквадрат від роздільної здатності), тоді як для конснованої конструкції зонда, запропонована Полом трукції прототипу вона падає як куб площі аперту(Ропі) та іншими [7], в якій для створення оптичнори [4, 5] Тому для мікроскопів з малою областю го зонда мікроскопа ближнього поля використовузв'язку між об'єктом і мікроскопом та з великою ється металізований стрижень кварцу з отвором у роздільною здатністю запропонований зонд мікрометалізації на торці скопа ближнього поля буде мати беззаперечну Ця конструкція також має малу оптичну ефекперевагу за оптичною ефективністю по відношентивність з зазначених вище причин, що і попереню до існуючих моделей мікроскопів близького дня конструкція поля Відомий І найбільш близький до нашого техніДаний винахід пояснюється кресленням, де на чного рішення є зонд мікроскопа ближнього поля, фігурі зображено ближньопольовий зонд, що запропонований Бетцігом (Betzig) та ш [8], якого складається з витягнутої в конус діелектричної ми обрали за прототип, складається зі звужуванотрубки або оптоволокна (поз 1), на яку наносяться го одномодового оптичного волокна (у вигляді зрічотири ізольовані непрозорі металеві смужки (поз заного конуса), яке покрите непрозорим провідним 2 - 5), що обриваються на вершині конуса (поз 6) металевим шаром На вершині конуса зроблено, утворюючи область взаємодії (поз 7) отвір у металізації Джерело лазерного світла Зонд працює наступним чином Від джерела з'єднано з оптичним волокном Після того, як пролазерного випромінювання на зонд посилається мінь проходить через оптичне волокно й апертуру, ЛІНІЙНО поляризований лазерний промінь (поз 8) воно освітлює зразок, розміщений у області ближЛазерний промінь збуджує область між смужками, нього поля Падаюче світло після взаємодії зі зращо являють собою дві мікросмужкові лінії змінного зком збирається звичайною системою оптичних профілю (одна ЛІНІЯ - смужки 2 - 3, друга ЛІНІЯ лінз Такий зонд з оптичною системою мікроскопа смужки 4 - 5), поперечні електромагнітні хвилі з дозволяє досягати роздільної здатності, що дорівамплітудами пропорційними компонентам електнює 1/40 від довжини хвилі випромінювання ричного поля перпендикулярних до поверхні меНедоліком цього зонда є дуже мала оптична талевих смужок (компоненти Еі,Е2 ), Щ° утворюефективність, яка складає 10 5 - 10 6 Задача винають кожну з мікросмужкових ЛІНІЙ Металеві ходу полягає у підвищені оптичної ефективності, а смужки передають фактично всю енергію променя саме ефективності передачі енергії в апертурі зодо вершини конуса зі збереженням поляризації нда зі збереженням можливості проведення поляпадаючого променя) На вершині конуса частина ризаційних вимірювань енергії променя відбивається від обриву смужок і Постановлена задача розв'язується за рахунок об'єкта (поз 9) та утворює відбитий промінь (поз того, що у відомому зонді мікроскопа ближнього 10) зі зміненою поляризацією, обумовленою взаєполя, який являє собою витягнутий у вигляді конумодією з об'єктом Друга частина енергії променя, са діелектрик або оптоволокно з металізованими проходить через обрив смужок, утворюючи в обповерхнями, пропонується виконати металізацію у ласті вершини конуса світлову пляму з розмірами, вигляді чотирьох непрозорих провідних ізольоваякі приблизно дорівнюють розмірам обірваної мікних одна від одної металевих смужок, що звужуросмужкової лінії Промінь, що пройшов, взаємодіє ються при наближені до вершини конуса і на вер3 частиною об'єкта (поз 9), що знаходиться в обшині конуса обриваються (див креслення) ласті вершини зонда і розсіюється на ньому, утвоСмужки наносяться попарно на протилежні боки рюючи розсіяний промінь (поз 11) зі зміненою побокової поверхні зонда в площинах ортогональних ляризацією Вимірювання поляризаційних до іншої пари смужок 3 другого боку оптоволокно властивостей об'єкта можливе як по розсіяному приєднане до лазерного джерела, що збуджує в зонді електромагнітні хвилі При цьому, в кожній із (поз 10), так і по відбитому променеві (поз 11) мікросмужкових ЛІНІЙ падаючим лазерним промеЛітература нем збуджуються електромагнітні хвилі з ампліту1 R С Reddick et a l , New Form of Scanning дами пропорційними величинам компонент електOptical Microscopy, Rapid Communications, vol 39, ричного поля, перпендикулярних до поверхонь No 1, Jan 1, 1989, pp 767-770 смужок, що утворюють дану мікросмужкову ЛІНІЮ 2 Betzig E , Isaacson M, Lewis A , Collection mode near-field scanmg optical microscopy, Appl Так як в мікросмужкових ЛІНІЯХ будуть збуджуPhys Lett, 51, 1987, P 2088-2090 ватися поперечні електромагнітні хвилі з ортого3 Betzig E , Trautman J К, Wolfe R , Gyorgy нальними поляризаціями, які не мають критичних E M , Finn P L , Near-field magneto-optics and high розмірів, на відміну від конструкції прототипу, то з density storage, Appl Phys Lett vol 61, 1992, № 2 , допомогою такого зонда фактично всю енергію P 142-144 променя в оптоволокні, при ДОВІЛЬНІЙ його поляри4 Lapchuk A Estimation of optical efficiency of a зації, можна направити до області взаємодії його з 58634 near-field optical microscope on the basis of a simplified mathematical model, J Opt A Pure Appl Opt 3 (2001) P 1-6, http //www юр Org/EJ/S/2/IOPP/rxzLJbXrgTq5aC8Hx nemFQ/abstract/1464-4258/3/6/305 5 Roberts A Small-hole coupling of radiation into a near-field probe, J Appl Phys — 1991, vol 70, October, P 4045-4049 Комп'ютерна верстка А Крулевський 6 Lewis et al , United States Patent 4,917,462, МПК G02B 005/18, G02B 021/00, H01J 003/14, H01J 005/16 7 Pohl, et al , United States Patent, 4,604,520, МПК H01J 003/14 8 Betzig, et al , United States Patent 5,272,330, МПК Н01 J 003/14, G02B 021/06 Підписано до друку 05 09 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна