Диссертация (1091554), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

В«обычной» (то есть линейной) оптике наведенная поляризация линейнозависит от напряженности электрического поля:P(t )   0 ˆ (1) E (t ) ,(1)36(1)где константа пропорциональности ̂ –линейная восприимчивость среды,  0- электрическая постоянная. В нелинейной оптике оптический отклик средыможно описать путём обобщения уравнения (1) путем разложенияполяризации P (t ) по степеням напряженности поля E (t ) как:P(t )   0  ˆ (1) E (t )  ˆ (2) E 2 (t )  ˆ (3) E 3 (t )  ...  P (1) (t )  P (2) (t )  P (3) (t )  ...

(2)(2)(1)Величины ̂ и ̂ - нелинейные оптические восприимчивости второгои третьего порядка. Нелинейная поляризация второго и третьего порядкаможно представить как:P (2) (t )   0 ˆ (2) E 2 (t )(3)P (3) (t )   0 ˆ (3) E 3 (t )Кроме того, нелинейные оптические взаимодействия второго порядкамогут происходить только в нецентросимметричных кристаллах, то есть, вкристаллах, не обладающих инверсионной симметрией. Так как жидкости,газы,аморфныетела(например,стекло),имногиекристаллы(2)центросимметричны, то ̂ тождественно равна нулю для таких сред, и,следовательно, в таких материалах не могут происходить нелинейныеоптические взаимодействия второго порядка (Отметим, что это утверждениеверно только в простейшем электро-дипольном приближении, однакопосколькудалеерассматриваются,восновном,тольконецентросимметричные материалы, процессы более высоких порядков вданной работе не рассматриваются).Нелинейноеволновоеуравнение,описывающеерезультатвзаимодействия фундаментальных волновых полей накачки и материалов,выводится из уравнений Максвелла и имеет следующий вид:371  2 E21  2 P2 E2 ,(c/ n)2 t 2  0 c2 t 22(4)где n - показатель преломления среды на длине волны накачки, c - скоростьсвета в вакууме.В результате решения уравнения (4) может быть получено выражениедля амплитуды электрического поля на частоте второй гармоникиE ( 2 ) ,аинетсивность этой волны I 2 определится классически как квадрат вектораПойнтинга.В методе нелинейно-оптической микроскопии известными величинымив каждой точке изображения являются интенсивность падающей волны I  ,детектируемая интенсивность волны ВГ I 2 , а искомым параметром являетсятензор нелинейной восприимчивости.Поскольку соотношение (3) является тензорным, то при анализеинтенсивности ВГ учитываются поляризация волн накачки и второйгармоники,атакжеазимутальнаякристаллографическаяориентацияисследуемого образца.Необходимо отметить, что, как правило измерения интенсивности ВГ вразличных точках изображения является относительным и не дает основаниядля вычисления абсолютного значения компонент тензора нелинейнойвосприимчивости.Дляпоследнегонеобходимопровестисравнениеполученных значений интенсивности ВГ с аналогичными значениями дляэталонного образца, которым, как правило служит кристалл квараца сизвестными значениями компонент нелинейной воприимчивости.

Такуюпроцедуру можно назвать также калибровкой нелинейно-оптическогомикроскопа.В результате для вычисления компоненты нелинейной восприимчивостив заданной поляризационной комбинации [87]:38 222 I  (  ref )  2I ref  I refTref    I T2 A Aref n n ref22 n 2   lcoh,ref  e ref lcoh ,ref 2    2lcoh ,nl ref   coh  e2(5)где  ref – известное значение нелинейной восприимчивости эталонного2материала, I 2 , I ref– интенсивности ГВГ; I  , I ref– интенсивности излучениянакачки, T  ,Tref – коэффициенты пропускания на частоте накачки; A, Aref –облучаемые площади; n , nref– показатели преломления на частоте накачки;2– n2 , nref– показатели преломления на частоте второй гармоники; lcohlcoh ,ref –когерентная длина. В выражении (5) индекс «ref» означает, что величинаотносится к измерению на эталоне, отсутствие такого индекса - к измерениюна исследуемом образце.Отметим также, что использование выражения (5) означает, чтоколичество и индексы независимых компонент тензора квадратичнойнелинейной восприимчивости уже известны.

Такую информацию можнополучить также из нелинейно-оптических исследований, в частности из такназываемых «поляризационных» и «азимутальных» измерений. В первомслучае измеряется интенсивность ВГ при фиксированном положении образцаи фиксированной поляризации ВГ от угла поворота поляризации излучениянакачки. Во втором- измеряется интенсивность ВГ при фиксированныхполяризациях излучения накачки и ВГ от азимутального положения образца(последняя аналогична измерению -скан в рентгено-структурном анализе).Данные методики широко известны и применяются, в частности, и внелинейно-оптической микроскопии [88,89]. Следует отметить, однако, чтодля микроскопии «азимутальные» измерения представляют определеннуюсложность, поскольку для них требуется специальные гониометрическиесистемы, обеспечивающие точность установки оси вращения до 0.5 мкм, что всочетании с короткофокусными объективами (отсутствующими в установках39рентгено-структурного анализа) приводит к существенному усложнению (илиудорожанию) методики.2.2.

Конфокальная оптическая микроскопияКонфокальная микроскопия является мощным многофункциональныминструментом, позволяющим создавать четкие изображения образца, которыевобычномоптическоммикроскопевыглядятразмытыми.Такоепреимущество достигается за счет исключения большей части света отобразца, располагающейся за пмределами фокальной плоскости микроскопа.Полученное таким образом изображение имеет существенно более высокийконтраст, чем у обычного микроскопа, в полтора раза улучшенноепространственное разрешение и, кроме того, представляет собой тонкий срезобразца.Такие преимущества конфокальной микроскопии возможны благодаряиспользованию двух модификаций: введением конфокальной (софокусной)подсветки объекта и введением диафрагмы. На рисунке 9 приведенастандартная оптическая схема конфокального микроскопа. Согласно даннойсхеме после собирающей линзы расположена диафрагма малого размера,которая препятствует прохождению света с нефокальных плоскостей.

Такимобразом на детектор будет попадать излучение только от анализируемогоучастка поверхности. Конфокальная подсветка играет роль избирательногопространственного оптического механизма. При её использовании освещениепопадает только на исследуемую область образца, что достигаетсяиспользованием дополнительной фокусирующей системы. В такой геометрииобразец должен быть прозрачным. Если образец не прозрачен для оптическогоизлучения, то необходимо использовать дополнительные светоделительныепластины, перераспределяющие оптическое излучение в системе.40Стандартная оптическая схема конфокального микроскопа.(1) – источник излучения, (2) – линзы; (3) – образец, (4) – диафрагма, (5)– приёмник.Качественно понятно, что применение конфокальной схемы должноприводить к увеличению контрастности изображения.

Платой за увеличениеконтрастности будет необходимость применения достаточно сложных схемсканирования либо за счёт перемещения образца, либо за счёт сканированияобразца световым пучком. Кроме того, увеличение предела разрешения вдольоптической оси позволяет, меняя точку, в которую сфокусировано излучениеподсветки вдоль оси z, получать изображения прозрачных или рельефныхпредметов на разной глубине, то есть сечения исследуемого объекта. Это, всвою очередь, позволяет, соединив все сечения, получить трехмерноеизображения объекта.Современные конфокальной микроскопы можно рассматривать какполностью интегрированные электронные системы, в которых оптическиймикроскоп играет центральную роль в конфигурации, состоящую из одногоили нескольких электронных детекторов, компьютера (для визуализацииизображений, обработки, вывода и хранения), а также нескольких лазерныхсистем в сочетании с устройствами выборки длины волны и узломсканирования луча.41Такие системы позволяют проводить оптическую микроскопиювысокого пространственного разрешения с использованием различныхоптических эффектов: комбинационного рассеяния, фотолюминесценции.2.3.

Нелинейно оптическая конфокальная микроскопияНелинейно-оптическаяконфокальнаямикроскопиятехническиотличается от традиционной конфокальной микроскопии источникомоптического излучения. Нелинейно-оптическая конфокальная микроскопияпозволяет получать распределение интенсивности второй оптическойгармоники, возникающей при взаимодействии излучения накачки с полярнойсредой. С помощью этого метода возможно проведение недеструктивных 3-хмерных исследований материалов. Обычно в таких устройствах используютфемтосекундные лазеры с высокой пиковой мощностью для генерациинелинейно-оптических процессов в исследуемой среде.

Данный видконфокальноймикроскопииширокоприменяетсядляисследованияразличных физических явлений и объектов. В основном данная методикаиспользуется для исследования оптических свойств биологических объектов[21–23]. Обычно длина волны источника излучения составляет 700-1000нм,что позволяет оптическому излучению проникать в глубь исследуемогобиологического материала [24] и при изменении фокусировки конфокальнойсистемы получать детальные трехмерные изображения исследуемых объектов[25].Нелинейно оптическая микроскопия применяется не только дляисследования биологических объектов. В ряде функциональных материаловданный метод позволяет получить недоступную для других методикинформацию.

Так с его помощью можно исследовать доменные структурысегнетоэлектриков и мультиферроиков, а также эффекты переключенияполяризации и особенности фазовых переходов в сегнетоэлектрических имультиферроидных микроструктурах. Одной из особенностей нелинейной42микроскопии является возможность визуализации 180◦ сегнетоэлектрическихдоменов [26]. Это связано с тем, что замена знака поляризации меняет знакнекоторых компонент нелинейной восприимчивости, в то время как спомощью обычной конфокальной микроскопии такой эффект получитьневозможно.2.4. Атомно-силовая микроскопияАтомной силовая микроскопия (АСМ), изобретенная Биннигом,Куэйтом и Гербером [90], является одним из самых универсальных методоввизуализации наноразмерных структур.преемникомсканирующейОн является идеологическимтуннельноймикроскопии,разработаннойБиннингом и Рорерм в 1982 году [91].

Это семейство инструментов,называемое сканирующей зондовой микроскопией, основано на сильном,зависящим от расстояния, взаимодействии между зондом и образцом.Соответственно АСМ и использует это взаимодействие для построенияизображения объекта [92].Главным элементом АСМ является зонд, который взаимодействует собразцомзасчетсилВан-дер-Ваальса.Этисилыобладаюткакположительными, так и отрицательными компонентами. На большихрасстояниях происходит притяжение между зондом и поверхностью образца,а на малых (около одного ангстрема) – отталкивание [93]. Зависимость силыВан-дер-Ваальса от расстояния между зондом и поверхностью образцаF ( z)представлена на рисунке 10.43Зависимость силы Ван-дер-Ваальса от расстояния междузондом и поверхностью образца.Геометрические параметры зонда являются лимитирующим факторомразрешающей способности АСМ.

Характеристики

Список файлов диссертации