Ближнепольная сканирующая микроскопия пространственного распределения светового поля, формируемого нанообъектами (1102420)
Текст из файла
На правах рукописиДУБРОВКИН АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧБЛИЖНЕПОЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЕТОВОГОПОЛЯ, ФОРМИРУЕМОГО НАНООБЪЕКТАМИСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2010Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета Московского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физико-математических наукМагницкий Сергей АлександровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Трофимов Вячеслав Анатольевич,ВМиК МГУ им. М.В.Ломоносова, г. Москвакандидат физико-математических наукТрухин Валерий Николаевич,ФТИ им.
А.Ф.Иоффе, г. Санкт-ПетербургВедущая организация:Учреждение Российской академии наук Институтхимической физики им. Н.Н. Семенова РАН,г. МоскваЗащита состоится 18 ноября 2010 г. в 1730 на заседании диссертационногосоветаД 501.001.31приМосковскомгосударственномуниверситетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ,дом 1, строение 62, Корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им.
М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан "" октября 2010 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31,кандидат физико-математических наук, доцентТ.М. ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена исследованию формированияпространственного распределения света нанообъектами при их освещениилазерным излучением на масштабах порядка либо меньше длины волны.Актуальность темыЕще недавно минимальные пространственные масштабы, с которымиоперировала оптика, ограничивались дифракционным пределом. Причем этоотносилось не только к экспериментальной реализации пространственногоразрешения различных оптических приборов, но и, по общему мнению,являлось фундаментальным ограничением всех оптических устройств.
Сейчаспредставляется достаточно ясным, что понятие дифракционного пределаотносится только к определенным состояниям электромагнитного поля – краспространяющимся волнам. Для светового поля, находящегося внерадиационном состоянии ближнего поля, понятие дифракционного пределане существует, и световое поле может быть сфокусировано вплоть до размераатома. Существенный прогресс, наблюдающийся в последние годы вразработкенаноструктурированныхматериалов,приведшийкэкспериментальной реализации метаматериалов в оптическом диапазоне,созданию нанолазера, а также прогресс в развитии экспериментальных методов,таких как сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля, привел крезкой активности в научных и технологических исследованиях в этомнаправлении.
Подтверждением этого является экспоненциальный ростколичества публикаций по этой теме, наблюдающийся в последние годы.Одной из важных задач современной нанофотоники, требующей проведениядальнейших экспериментальных и теоретических исследований, являетсязадача формирования пространственного распределения света вблизинанообъекта при его лазерном освещении.Если способы управления пространственным распределением света намасштабах много больших длины волны хорошо разработаны в традиционной(дальнепольной) оптике и имеют широкое применение в современнойэкспериментальной физике и технике, то решение вопросов, связанных сформированием пространственного распределения света на масштабах порядкадлины волны, находятся лишь в начальной стадии своего развития. Припереходе на субволновые масштабы задача усложняется не только3количественно, но и качественно, так как по мере уменьшения размеровобъекта и при приближении к его поверхности все более существенную рольначинают играть так называемые ближнепольные компоненты светового поля.С точки зрения терминологии, принятой в физической оптике,рассматриваемые задачи относятся к дифракции света на нанообъектахпроизвольной формы.
Кроме фундаментального интереса, заключающегося впонимании законов поведения света вблизи нанообъектов, эта задача имеет ипрактический интерес. Например, при создании будущих интегральныхоптических микросхем может потребоваться формирование сложныхраспределений света в пространстве на наномасштабах.Такие сложные распределения света в пространстве логично называтьпространственными световыми структурами.
В этом смысле такой терминупотребляется в некоторых главах диссертационной работы.Цели и задачи диссертационной работыЦелью диссертационной работы является поиск закономерностейформирования пространственных световых структур при освещении лазернымизлучением нанообъектов, преимущественно – уединенных. При этом основнаязадача состоит в изучении пространственного распределения светового поля,формируемого уединенными нанообъектами, методом ближнепольнойсканирующей микроскопии.В частности были поставлены следующие задачи: создание экспериментальной установки апертурного сканирующегооптического микроскопа ближнего поля (СОМБП) для исследованияпространственных субволновых распределений светового поля,формируемых нанообъектами при лазерном освещении; выбориреализацияметодикизготовленияуединенных,квазипериодических и доменно-структурированных нанообъектов издиэлектрика для управления светом на субволновых масштабах; методом апертурной сканирующей оптической микроскопии ближнегополя исследовать формирование пространственных световых структур,образованных рядом прозрачных нанообъектов различной формы прилазерном освещении; поиск теоретических подходов к описанию формирования трехмерныхраспределений ближнего поля уединенными нанообъектами.4Научная новизна работы1.
Впервые зарегистрировано формирование оптических спиралей,формируемых прозрачным нанообъектом.2. Экспериментально показано, что уединенный полимерный наноцилиндрспособен формировать одинарные и двойные спирали в двумерныхсечениях пространственного распределения интенсивности непрерывноголазерного излучения в объеме над его вершиной.3. Показано, что наличие поверхностных плазмонов не являетсяобязательным фактором для формирования оптических спиралейнанообъектами.4. При прохождении лазерного излучения сквозь кристаллическиструктурированную пленку из полимера PEG-4000 в области узловпленкизарегистрированоформированиелокальныхпроваловинтенсивности, представляющих собой расширяющуюся трубку (схарактерными поперечными размерами 1-2 мкм и высотой не менее3 мкм), в которой отсутствует свет.5.
В рамках квазистатического приближения показано, что с точностью дочленов первого порядка малости асимптотического разложения в ряд помалому параметру (размер объекта/длина волны) световые ближние полянанообъектов могут быть выражены через две скалярные функции,удовлетворяющие уравнению Лапласа.6. Предложен новый подход к определению компонент ближнего поля.
Вкачестве ближнепольных компонент, характеризующих световое ближнееполе, предлагается рассматривать набор спадающих при удалении отнанообъекта решений скалярного уравнения Лапласа в сферическойсистеме координат.Научная и практическая значимость1. СозданнаяустановкаапертурногоСОМБПдляисследованияпространственныхсубволновыхраспределенийсветовогополя,формируемых нанообъектами при лазерном освещении, может бытьиспользована для решения широкого круга научных и прикладных задачнанофотоники, а также может быть использована в качестве прототипа дляпроизводства лабораторных СОМБП с режимом трехмерного сканирования.2.
Результатыэкспериментальныхисследованийпространственных5распределений света, формируемых полимерным наноцилиндром,показывают, что методами ближнепольной оптики возможно формированиесложных пространственных световых распределений с помощью простыхобъектов, демонстрируя ее потенциал для создания будущих устройствнанофотоники.3. Предложенный математический формализм описания ближнего поля можетбыть использован в широком круге задач ближнепольной оптики. Вчастности, вместе с полученными в работе результатами экспериментальныхисследований наноструктурированных диэлектрических объектов, - длясоздания элементов управления светом в ближнепольной оптике.4.
Разработанная методика получения кристаллически-структурированнойпленки из полимера PEG-4000, способной формировать локальные провалыв интенсивности проходящего лазерного излучения, а также технологияизготовления апертурных зондов могут быть использованы в широком кругефизических лабораторий университетов и институтов.5. Локальные провалы интенсивности лазерного излучения, формируемые припрохождениилазерногоизлучениясквозькристаллическиструктурированную пленку из полимера PEG-4000, могут бытьиспользованы в качестве «локальных лабораторий» для исследованиясобственного рассеянного излучения (без интерференции с падающимизлучением) одиночного нанообъекта, а также исследования интерференциисобственного рассеянного излучения от нескольких нанообъектов инаправленного формирования сложных световых полей.Защищаемые положения1.
Прозрачный полимерный уединенный наноцилиндр (диаметр 700 нм,высота 1100 нм) способен формировать оптические спирали в диапазоневысот от 30 нм до 1500 нм над вершиной наноцилиндра при прохождениичерез него непрерывного лазерного излучения с длинами волн 632.8 нм и488 нм.2. Топологияоптическихспиралей,формируемыхполимернымнаноцилиндром (диаметр 700 нм, высота 1100 нм) существенно зависиткак от направления поляризации падающего лазерного излучения, так иот высоты над наноцилиндром.
Происходит формирование какодинарных, так и двойных спиралей. В непосредственной близости к6вершине наноцилиндра формируются как лево-, так и провозакрученныеоптические спирали.3. При прохождении лазерного излучения сквозь кристаллическиструктурированную пленку из полимера PEG-4000 возможноформированиелокальныхпроваловинтенсивностиизлучения,представляющих собой расширяющиеся трубки, в которых отсутствуетсвет, с характерными поперечными размерами 1-2 мкм и высотой неменее 3 мкм.
Провалы интенсивности наблюдаются в области узловпленки.4. С точностью до членов первого порядка малости асимптотическогоразложения в ряд по малому параметру (размер объекта/длина волны)электрические и магнитные компоненты ближнего светового полянанообъектов могут быть выражены через две скалярные функции,удовлетворяющие уравнению Лапласа. В качестве ближнепольныхкомпонент можно рассматривать набор спадающих при удалении отнанообъекта решений скалярного уравнения Лапласа в сферическойсистеме координат.Апробация результатов работыРезультаты диссертационной работы неоднократно представлялись иобсуждались на международных конференциях: «ICONO/LAT-2010» (Kazan,Russia, 2010), «XVII Международная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых “Ломоносов-2010”» (Москва, 2010), «ICONO/LAT-2007»(Minsk, Belarus, 2007), «XIV Международная конференция студентов,аспирантов и молодых ученых “Ломоносов-2007”» (Москва, 2007).
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
