Оптичний ближньопольовий зонд

1. Оптичний ближньопольовий зонд, що складається з металевого монокристалічного нанострижня із хоча б одним загостреним кінцем та однієї чи декількох металевих деталей, які разом із певним відрізком нанострижня утворюють ТЕМхвилевід змінного перерізу, який відрізняється тим, що нанострижень є одночасно частиною ТЕМ-хвилеводу та хвилеводом для поверхневих плазмон-поляритонних хвиль, що фокусуються на вістрі нанострижня. 2. Оптичний ближньопольовий зонд за п. 1, який відрізняється тим, що ТЕМ-хвилевід змінного перерізу виконано у вигляді коаксіального металевого хвилеводу, центральним провідником якого є нанострижень. 3. Оптичний ближньопольовий зонд за п. 1, який відрізняється тим, що в ролі ТЕМ-хвилеводу U 2 (19) 1 3 ється. Більша ефективність такого ближньопольового зонду досягалась за рахунок використання ТЕМ-хвилевіду, в якого відсутній закритичний режим роботи. Окрім того, на поверхні металевих пластинок збуджуються поверхневі плазмони, які беруть участь у переносі енергії до області фокусування та мають меншу довжину хвилі ніж в збуджуючого оптичного випромінювання. Поява плазмонів дозволяє з більшою ефективністю передавати випромінювання до зони фокусування а також досягати більшої роздільної здатності. Але поверхневі плазмони дуже чутливі до дефектів поверхні металу і розсіюються на них, що призводить до швидкого їх згасання. Окрім цього, довжина хвилі поверхневих плазмонів залежить від кривизни поверхні металу, тобто, чим більша кривизна поверхні металу тим менше довжина хвилі поверхневого плазмону. В зонді такої конструкції металеві пластинки мають складну конфігурацію і їх виготовлення потребує використання процесів епітаксії та травлення, які не дають атомарної ідеальності поверхні, особливо коли потрібна велика кривизна поверхні. Таким чином поверхневі плазмони в зонді такої конструкції використовуються не ефективно. Частково недоліки пристрою аналога вилучаються в пристрої найближчого аналога. [3]. Ближньопольовий зонд найближчий аналог складається з хвилеводу, виконаного у вигляді діелектричного оптоволокна, з'єднаного з ним металевого конічного нанострижня. Для збудження металевого конічного нанострижня використовується друга мода оптоволокна – ТМ01. Під дією оптичного випромінювання, що розповсюджується оптоволокном на поверхні металевого конічного нанострижня збуджуються поверхневі плазмони, які переносять енергією в зону фокусування електромагнітного випромінювання. Недоліком найближчого аналога є значні втрати електромагнітного випромінювання при збуджені плазмонів на металевому стрижні через різкий (ступінчастий) перехід від оптоволокна до нанострижня. Задача корисної моделі полягає в підвищенні ефективності ближньопольового зонда та збільшенні його роздільної здатності відтворювальним шляхом. Поставлена задача досягається таким чином, що у ролі хвилеводу для плазмонів в зонді використовується монокристалічний нанострижень із срібла, який має атомарно ідеальну поверхню та плавно загострені кінці із нанорозмірною кривизною поверхні, а у ролі збуджувача використовується ТЕМ-хвилевід змінного перерізу, який складається із відрізку металевого нанострижня в якості центрального провідника та однієї чи кількох металевих деталей розділених діелектриком. Таким чином ефективне збудження поверхневих плазмонів світловою хвилею забезпечується ТЕМхвилеводом, а максимальна довжина пробігу поверхневих плазмонів та велика роздільна здатність - монокристалічним нанострижнем із срібла. Монокристалічні нанострижні срібла утворюються в процесі росту за певних умов, зокрема в хімічних реакціях відновлення срібла в присутності 65117 4 певних розчинів. Таким чином їх розміри та якість поверхні не залежить від обмежень сучасних методів літографії та є контрольованими та відтворюваними, що є перевагою для їх промислового використання. Найбільш вигідними для даної конструкції зонду є нанострижні із діаметром 10-200 нм. В нанострижнях із діаметром менше 10 нм проявляються розмірні ефекти, які спричиняють додаткові втрати для поверхневих плазмонів, а в нанострижнів із діаметром більше 200 нм радіус кривизни поверхні вістря без штучного загострення перевищує 50нм, що нівелює переваги цього типу зондів у роздільній здатності. Нанострижень повинен розташовуватись відносно інших металевих деталей таким чином, щоб вхідна оптична хвиля зустріла кінець нанострижня раніше ніж досягне зони закритичного режиму в хвилеводі, утвореному додатковими металевими деталями. Кут звуження ТЕМ-хвилеводу повинен бути менше 90°, бо при більшому куті така конструкція буде працювати як відбивач. ТЕМ-хвилевід може звужуватись не рівномірно, а, наприклад, за експоненсійним законом. Площа додаткових металевих деталей більша за площу металевого стрижня, а отже збудження поверхневих плазмонів є ефективнішим. Для використання цих плазмонів можна розташовувати центральний металевий стрижень та додаткові металеві деталі таким чином, щоб в найвужчій ділянці ТЕМ-хвилеводу поверхневі плазмонні моди стрижня і додаткових деталей перекривалися по певному рівню інтенсивності (наприклад, 1/ 2 від максиму інтенсивності на даному відрізку) на відрізку із довжиною  / 4 , де  - довжина поверхневої плазмонної хвилі на даному відрізку. В такому випадку ця ділянка працюватиме як відгалужувач І плазмони із додаткових металевих деталей перейдуть на поверхню центрального стрижня. ТЕМ-хвилевод може бути виконаний у вигляді коаксіального металевого хвилеводу, центральним провідником якого є нанострижень (фіг. 1). На фіг. 1 наведено загальний вигляд коаксіального металевого хвилеводу та лінії напруженості електричного поля в ньому. Коаксіальний ТЕМхвилевод змінного перерізу може бути виконаний у вигляді діелектричного конусу, який зовні покритий металевою плівкою чи у вигляді конічного отвору у масивному діелектрику, поверхня якого вкрита шаром металу. В другому випадку потрібен шар діелектрика, який має утримувати металевий нанострижень. Такий зонд може збуджуватися радіально поляризованою просторовою модою або модою оптоволокна ТМ01. В даній конструкції нанострижень має починатися до того місця де внутрішній радіус металевого конусу зменшиться до значення  / 2,5 де починається закритична зона для моди Е01 круглого металевого хвилеводу. Як ТЕМ-хвилевід змінного перерізу може використовуватися смужкова лінія: компланарна (фіг. 2), щілинна (фіг. 3) чи гібридна (фіг. 4) служкова лінія, в якій роль центрального провідника відіграє частина металевого стрижня, яка знаходиться в середині ТЕМ-хвилеводу. 5 В ролі ТЕМ-хвилеводу змінного перерізу може використовуватися багато провідна лінія, яка складається із великої кількості металевих стрижнів, що розташовані на поверхні діелектрику конічної форми, в якій роль центрального провідника відіграє частина металевого стрижня, яка знаходиться в середині ТЕМ-хвилеводу (фіг. 5). Джерела інформації: 1. R.C.Reddick et al., New Form of Scanning Optical Microscopy, Rapid Communications, vol.39, No.1, Jan.1989, pp.767-770. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 65117 6 2. Пат. 7312445 США. Int.Ce.G01 В 11/00.Pyramid-shaped near field probe using surface plasmon wave. A. Lapchuk, Ho Seop Jeong, Dong Ik Shin.Samsung Electro-Mechanics Lo td. (KR). 25.Dec.2007. 3. Xue-Wen Chen, Vahid Sandogdar, Mario Agio. Highly Efficient Interfacing of Guided Plasmons and Photons in Nanowires // Nano Letters. 2009, vol.9, №11, p. 3756-3761. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601