Ближнепольная сканирующая микроскопия пространственного распределения светового поля, формируемого нанообъектами (1102420), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Такжерезультаты докладывались на «4-ой Всероссийской Школе-Симпозиуме“Динамика и структура в химии и биологии”» (Москва, 2006) и обсуждались нанаучном семинаре кафедры общей физики и волновых процессов физическогофакультета МГУ (2008, 2010).Основные результаты диссертации изложены в 11 научных публикациях(из них 3 статьи в международных научных рецензируемых журналах из спискаВАК, 2 препринта физического факультета МГУ, 6 тезисов в трудахконференций), список которых приведен в конце автореферата.7Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены автором лично, либо при его непосредственном участии.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения исписка цитируемой литературы. Объем работы составляет 143 страниц,включая 48 рисунков.
Список цитируемой литературы содержит 127наименований, включая 11 авторских публикаций.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,сформулированы ее цели и задачи, научная новизна, практическая значимость изащищаемые положения. Кратко изложено содержание диссертации.В первой главе диссертации приведен обзор литературы по основнымэкспериментальным и теоретическим методам ближнепольной оптики.Обсуждается научный и технический прогресс в нанофотонике за последнеевремя. Рассмотрены способы преодоления дифракционного предела в оптике.Описаны основные типы сканирующих оптических микроскопов ближнегополя.
Рассмотрены методы изготовления апертурных зондов для СОМБП.Рассмотрена задача о прохождении электромагнитного излучения сквозьсубволновую апертуру и задача о рассеянии плоской линейно поляризованнойсветовой волны на субволновой диэлектрической сфере. Приведенысуществующие на данный момент подходы к описанию и расчету ближнегополя нанообъектов.Вторая глава посвящена описанию созданной во время выполнениядиссертационной работы экспериментальной установки апертурного СОМБПдля исследования пространственных субволновых распределений световогополя, формируемых нанообъектами при лазерном освещении.
Описаныосновные модули и режимы работы установки.В разделе 2.1 представлена общая схема установки апертурного СОМБП(рис.1(а)). Сформулированы отличительные особенности СОМБП дляисследования пространственных субволновых распределений светового поля,формируемых нанообъектами. Перечислены составные части установки. Даны8фотографии: измерительной головки, предметного столика, всего комплексаСОМБП в целом (рис.1(б)-(г)).Рис.
1. Схема экспериментальной установки (а). Фотографии: измерительной головки(б), предметного столика (в), всего комплекса СОМБП в целом (г).9В разделе 2.2 рассмотрена разработанная технология изготовленияапертурных зондов для СОМБП в лабораторных условиях. Технологияобъединяет в себе следующие основные технологические операции:жидкостное химическое травление одномодового оптического волокна,термическое напыление алюминием в вакууме и формирование субволновойапертуры методом надавливания.В разделе 2.3 описана система точного контроля расстояния между зондомСОМБП и образцом.
Для поддержания зонда на малом расстоянии (нескольконанометров) от поверхности образца в созданном СОМБП используется схемаобратной связи на основе резонансного датчика силы взаимодействия остриязонда с поверхностью.В разделе 2.4 рассмотрена система подвода зонда СОМБП к поверхностиобразца. Сближение зонда СОМБП с поверхностью образца осуществляется вдве стадии: ручной подвод с помощью ходовых винтов измерительной головкис визуальным контролем расстояния между зондом и образцом с помощьюстереомикроскопа и точное сближение с использованием шагового двигателя ипьезокерамического сканера.
Приведены технические характеристики трехсканеров на основе пьезокерамических трубок, которые были изготовлены впроцессе выполнения диссертационной работы.В разделе 2.5 описан запущенный в процессе выполнения диссертационнойработы электронный блок управления СОМБП. Приведена функциональнаясхема системы управления СОМБП.В разделе 2.6 дано описание программного обеспечения для управленияСОМБП.
В программе реализованы функции, позволяющие проводитьоптическое сканирование в 3D моде и сканирование поверхности в контактномоптическом и топографическом режимах.В разделе 2.7 приводятся технические параметры системы счета фотоновСОМБП. Представлены экспериментальные результаты по определению порогалинейности системы счета фотонов.В разделе 2.8 представлены результаты калибровочных и тестовых СОМБПизмерений в различных режимах работы. Максимальный динамическийдиапазон сканирования пьезокерамическим сканером составил 40х40х4 мкм3.Установка позволяет проводить сканирование с разрешением ~80 нм воптических модах и с разрешением лучше 1 нм в режиме топографии.В разделе 2.9 сформулировано заключение к главе II.10В третьей главе сообщается о новом эффекте формирования оптическихспиралей при прохождении лазерного излучения через прозрачныйполимерный наноцилиндр с размерами (диаметр, высота) 700х1100 нм.В разделе 3.1 описана методика изготовления прозрачных образцов,содержащих различные полимерные нанообъекты и их конфигурации.
Процессизготовления содержит две стадии: изготовление кремниевых матриц методомэлектронной литографии и последующую двойную фоторепликацию матриц.Представлены изображения в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ)нескольких изготовленных конфигураций полимерных нанообъектов.
В томчисле приведено СЭМ изображение полимерного наноцилиндра (рис.2).Рис. 2. СЭМ изображение образца в виде полимерной подложки с выступающимполимерными наноцилиндром, полученное при увеличении 40000x.В разделе 3.2 представлены СОМБП исследования пространственнойструктуры лазерного излучения в ближнем поле полимерного наноцилиндра сРис. 3. Распределения интенсивности света в горизонтальной плоскости,расположенной над вершиной полимерного наноцилиндра на расстоянии 30 нм;эллипсами указано состояние поляризации падающего на подложку света.11размерами (диаметр, высота) 700х1100 нм при освещении аргон-ионовымлазером с длиной волны 488 нм (рис.3). Зарегистрировано формированиеоптических спиралей в горизонтальной плоскости на расстоянии 30 нм надвершиной наноцилиндра при поляризации падающего излучения близкой клинейной (степень эллиптичности не превышает 1:3).В разделе 3.3 представлены результаты СОМБП исследованийпространственной структуры лазерного излучения в объеме над вершинойполимерного наноцилиндра с размерами (диаметр, высота) 700х1100 нм приосвещении линейно-поляризованным излучением He-Ne лазера с длиной волны632.8 нм.Показано, что полимерный уединенный наноцилиндр (диаметр 700 нм,высота 1100 нм) способен формировать оптические спирали в диапазоне высотот 230 нм до 1500 нм над его вершиной.
Методом СОМБП в режиме 3Dсканирования по плоскостям было зарегистрировано формирование одинарныхи двойных оптических спиралей при различных направлениях поляризациипадающего лазерного излучения. Топология обнаруженных оптическихспиралей зависит как от направления поляризации падающего лазерногоизлучения, так и от высоты над наноцилиндром. В непосредственной близостик вершине наноцилиндра формируются как лево-, так и провозакрученныеоптические спирали. На рис.4-5 представлены результаты СОМБП измерений ввиде одинарной и двойной спиралей на различных расстояниях над вершинойнаноцилиндра.Рис.
4. (a) СОМБП изображение в виде одинарной спирали на высоте 1.5 мкм надвершиной наноцилиндра; (б) профиль интенсивности вдоль диагонального сечения.12Рис. 5. СОМБП изображения в виде двойной спирали на высотах: (a) 230 нм; (б)470 нм; (в) 700 нм; (г) 1100 нм над вершиной наноцилиндра.В разделе 3.4 представлены результаты СОМБП исследованийпространственной структуры света в ближнем поле полимерного наноцилиндрапри освещении светодиодом с длиной волны 460 нм.
Полученные результатысвидетельствуют в пользу необходимости использования лазерного излучениядля формирования оптических спиралей с помощью полимерногонаноцилиндра.В разделе 3.5 сформулировано заключение к главе III. Обсуждается один изважных вопросов сканирующей оптической микроскопии ближнего поля:каким образом характеристики светового поля связаны с измеряемым зондомсигналом. На основании проведенного анализа показано, что в обсуждаемыхэкспериментах при регистрации оптических спиралей на больших высотах надвершиной наноцилиндра измеряемый СОМБП сигнал пропорционаленинтенсивности светового поля, падающего на зонд.
Для качественногопонимания эффекта формирования оптических спиралей проведеномоделирование на основе интерференции мод Гаусса-Лаггера LG 01 и LG 0-2 сплоской волной на макромасштабах, существенно больших длины волныоптического излучения.Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям методомапертурной сканирующей микроскопии ближнего поля пространственныхраспределений светового поля, сформированных различными прозрачнымиуединенными,квазипериодическимиидоменно-структурированныинанообъектами при освещении линейно поляризованным излучением He-Neлазера с длиной волны 632.8 нм.В разделе 4.1 приводятся результаты СОМБП исследованийпространственной структуры лазерного излучения в ближнем поле следующихуединенныхконфигурацийполимерныхнанообъектов:уединенныйполимерный столбик с характерными размерами (длина, ширина, высота)13500х300х550 нм и его реплика; конфигурация из пяти наноцилиндров схарактерными размерами (диаметр, высота) 300х(120-150) нм, расположенныхна расстоянии 1 мкм друг от друга, и ее реплика.
Результаты показывают, чтовблизи субволновых углублений в прозрачной полимерной подложкенаблюдаются минимумы интенсивности лазерного излучения. Вблизисубволновых выпуклостей на прозрачной полимерной подложке наблюдаютсямаксисумы интенсивности лазерного излучения. Наблюдаемые максимумы иминимумы сохраняются в пространстве, уменьшая свой контраст с ростомвысоты, исчезая на фоне падающего лазерного излучения на высотах порядкадлины волны.В разделе 4.2 представлены результаты СОМБП исследованияпространственной структуры лазерного излучения в ближнем поле следующихквазипериодических полимерных наноструктур: полимерная решетка в видеквазипериодически расположенных выпуклостей на прозрачной подложке схарактерными размерами (диаметр, высота) 250х350 нм; полимерная решетка ввиде квазипериодически расположенных углублений в прозрачной подложке схарактерными размерами (ширина, глубина) 600х350 нм и разбросом длин (217) мкм. Экспериментально зарегистрировано, что вблизи поверхностирешеток, наблюдаемые световые структуры хорошо соответствуют рельефу,наблюдаются области периодичности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
