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掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡

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NTEGRASNOM納米級(jí)的光學(xué)成像和光譜學(xué)

詳細(xì)介紹

NTEGRA SNOM

納米級(jí)的光學(xué)成像和光譜學(xué)。

掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）使研究樣品的光學(xué)特性的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)衍射極限。樣品的熒光，發(fā)光，透射，散射等可以以幾十納米的空間分辨率進(jìn)行映射。存在近場(chǎng)顯微鏡的兩種主要方法：（i）孔徑類型SNOM和（ii）無(wú)孔徑技術(shù)。在種情況下，將掃描上的亞波長(zhǎng)尺寸孔徑用作光學(xué)探針。這通常是光纖或懸臂的金屬涂層中的開(kāi)口。通常，孔徑類型SNOM的空間分辨率取決于孔徑。無(wú)光圈技術(shù)也基于近場(chǎng)光學(xué)現(xiàn)象，但是不需要使光通過(guò)孔。無(wú)孔/散射SNOM，增強(qiáng)拉曼/熒光，STM發(fā)光等均屬于此類。SNOM技術(shù)廣泛用于納米光子學(xué)（等離子，光子晶體和波導(dǎo)等），激光技術(shù)，光學(xué)微器件和材料科學(xué)中。

應(yīng)用范圍

光纖

激光發(fā)射

等離子

光伏

量子點(diǎn)

基本系統(tǒng)配置

光纖SNOM系統(tǒng)

掃描（和樣品掃描）：對(duì)等離激元學(xué)很重要；

掃描（和樣品掃描）：對(duì)等離激元學(xué)很重要；音叉剪切力音叉反饋可將SNOM探針?lè)€(wěn)定定位在距基板僅幾海里的位置。

音叉反饋不需要AFM激光。這樣可以在非常寬的光學(xué)范圍（紫外線，可見(jiàn)光，紅外線）中使用SNOM光纖，而不會(huì)干擾AFM激光；

SNOM模式：反射，收集，傳輸。

懸臂SNOM系統(tǒng)

懸臂式SNOM探針具有更高的可重復(fù)性，耐用性和更長(zhǎng)的使用壽命。

SNOM探針的傳輸率比光纖SNOM探針的傳輸率高（對(duì)于相同的孔徑）。

AFM激光偏轉(zhuǎn)反饋允許使用所有不同的反饋模式：接觸式，半接觸式，非接觸式；

自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)（激光到孔徑）；

SNOM模式：收集，傳輸。

SNOM適用于光學(xué)微型設(shè)備

相微菲涅耳環(huán)帶板的近場(chǎng)聚焦

SNOM研究了使用聚焦離子束銑削在玻璃基板上制造的雙相微菲涅耳波帶片（FZP）的聚焦行為。發(fā)現(xiàn)從相位微FZP可以獲得具有亞波長(zhǎng)光束寬度和加長(zhǎng)的聚焦深度的不對(duì)稱光斑。測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致。

（a）實(shí)驗(yàn)裝置。（b）相顯微FZP的SEM圖像和（c）剪切力形貌。相板具有八個(gè)完整區(qū)域，蝕刻深度約為300 nm。（d），（e）計(jì)算出的入射光和透射光在XZ和XY平面上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。（f），（g）電場(chǎng)強(qiáng)度（由SNOM檢測(cè)）在通過(guò)微FZP傳輸后，在距板表面10 nm和750 nm高度的平面處的實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度分布。數(shù)據(jù)來(lái)自：R.G. Mote, S.F. Yu, A. Kumar, W. Zhou, X.F. Li, APPLIED PHYSICS B 102: 95–100 (2011).

微聚焦等離激元器件的表征

基于金的聚焦等離子體激元裝置的聚焦行為由SNOM表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與仿真結(jié)果相符，聚焦效果顯著。

（a）設(shè)備的SEM圖像。（b）通過(guò)等離子裝置的透射光的電場(chǎng)強(qiáng)度分布（模擬）。SNOM檢測(cè)發(fā)送的字段。距離（c）z = 0.5μm，（d）z = 1.6μm，（e）z = 2.5μm和（f）z = 3.5μm的距離在水平面上的透射光的強(qiáng)度分布。設(shè)備表面；（g）沿（d）中的實(shí)線的強(qiáng)度分布。數(shù)據(jù)來(lái)自：Dr. Fenghuan Hao, Dr. Rui Wang and Dr. Jia Wang , OPTICS EXPRESS Vol. 18, No. 3, 15741- 15746 (2010).。

SNOM用于光子晶體

光在光子晶體波導(dǎo)中的傳播

收集模式下的孔徑SNOM用于將電磁場(chǎng)分布與光子晶體的表面形貌相關(guān)聯(lián)。限制在樣品表面上方的光學(xué)近場(chǎng)由SNOM收集，該位于樣品表面上方幾納米的位置。

光在單線缺陷光子晶體（PhC）波導(dǎo)中的傳播，該波導(dǎo)圖案化為450 nm厚的獨(dú)立式鈮酸鋰膜。在PhC波導(dǎo)表面上方記錄的SNOM形貌（a）和光學(xué)近場(chǎng)（b）圖像?？梢詮墓鈱W(xué)近場(chǎng)圖像中檢索PhC波導(dǎo)的Bloch波矢量。數(shù)據(jù)來(lái)自：R. Geiss, S. Diziain, N. Janunts, APPLIED PHYSICS LETTERS 97, 131109 (2010).。

光子晶體中的慢布洛模式分析

通過(guò)使用電子束光刻在InP平板中鉆出空氣孔的蜂窩狀晶格，然后進(jìn)行反應(yīng)性離子刻蝕來(lái)制備光子晶體。近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡用于以低于衍射極限的空間分辨率可視化模式的漸逝分量。

（a）剪切力地形圖（2×2 µm）。（b）1611 nm（2×2 µm）處的光學(xué)近場(chǎng)圖像，圓圈表示2D光子晶體的孔位置。在每個(gè)晶胞中觀察到了甜甜圈狀的單極模式，其內(nèi)半徑和外半徑分別為70 nm和310 nm。（c）在光子晶體表面的模擬電場(chǎng)強(qiáng)度（2×2µm）。數(shù)據(jù)來(lái)自：Thanh-Phong Vo, Adel Rahmani, Ali Belarouci, Christian Seassal, Dusan Nedeljkovic and Ségolène Callard, OPTICS EXPRESS Vol. 18, No. 3, 15741- 15746 (2010).

SNOM for plasmonics

表面等離激元極化子的偏振控制可調(diào)諧方向性耦合

可以耦合到等離子體裝置的光信號(hào)的偏振態(tài)通常受到耦合過(guò)程選擇性的限制。對(duì)于定向SPP激發(fā)，通常僅入射光的分量垂直于溝槽或脊?fàn)钌⑸湓兀▽?duì)于光柵）或金屬表面本身（對(duì)于基于棱鏡的方案）垂直偏振可以耦合到SPP中。正交偏振態(tài)的光不會(huì)耦合到SPP，從而導(dǎo)致SPP信號(hào)的減少和入射偏振態(tài)信息的丟失。

在控制生成的SPP的傳播方向時(shí)會(huì)遇到其他挑戰(zhàn)。通常，生成的SPP的傳播方向很難控制，這會(huì)導(dǎo)致大量的噪聲源并降低效率。這項(xiàng)工作提出了一種定向等離激元耦合器，它通過(guò)為SPP提供極化不變的耦合效率，同時(shí)允許控制兩個(gè)反向傳播的SPP模式之間的功率分配，從而解決了這些挑戰(zhàn)。這包括單向耦合并保留極化信息。使用聚焦離子束銑削（FIB）在150 nm厚的金膜中制造了特殊的結(jié)構(gòu)。用偏光的633 nm激光對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行背照，并使用掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡對(duì)SPP進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)耦合器結(jié)構(gòu)形成的表面等離激元極化子（SPP）：（a）在金膜中制造的結(jié)構(gòu)的SEM圖像，用于λ= 633 nm的操作。該結(jié)構(gòu)的SNOM圖像由具有不同偏振的光（b）線性，（c）右圓形，（d）左圓形背光照明。數(shù)據(jù)來(lái)自：Jiao Lin, J. P. Balthasar Mueller, Qian Wang, Guanghui Yuan, Nicholas Antoniou, Xiao-Cong Yuan, Federico Capasso, SCIENCE, Vol. 340 , 331-334 (2013).

金波導(dǎo)上的引導(dǎo)等離子體激元

使用配備了外差式干涉儀的SNOM，研究了SPP波導(dǎo)中的表面等離子體激元（SPP）傳播。同時(shí)測(cè)量了SPP電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和相位分布。（a）波導(dǎo)的形貌。（b）SNOM探頭耦合的電磁場(chǎng)的幅度。（c）電磁場(chǎng)的相位。使用了785 nm激發(fā)激光。數(shù)據(jù)來(lái)自：Antonello Nesci and Olivier J.F. Martin

使用相位工程光學(xué)渦旋光束產(chǎn)生等離子莫爾條紋

這項(xiàng)工作演示了二維（2D）等離子體激元Moiré條紋的動(dòng)態(tài)生成，該條紋是由于兩個(gè)表面等離激元極化子（SPP）駐波具有角度失準(zhǔn)的重疊而產(chǎn)生的。SPP波由具有不同拓?fù)潆姾桑╨ =±6）的光學(xué)渦旋（OV）光束激發(fā)。l的符號(hào)確定螺旋波前的旋度。由于其的相位特性，OV光束提供了一種自然而簡(jiǎn)單的相位調(diào)制方法，可以有效，動(dòng)態(tài)地控制SPP。

（a）四個(gè)金屬光柵的SEM圖像，以產(chǎn)生等離子體莫爾條紋。黑色箭頭表示入射光學(xué)渦旋光束的偏振方向。紅色和藍(lán)色箭頭分別表示正和負(fù)拓?fù)潆姾晒鈱W(xué)渦旋光束激發(fā)的SPP的傳播方向。（b）SNOM測(cè)量了兩個(gè)SPP駐波的重疊導(dǎo)致的莫爾條紋。數(shù)據(jù)來(lái)源：Guanghui Yuan, Qian Wang, and Xiaocong Yuan, OPTICS LETTERS, Vol. 37, No. 13, 2715-2717 (2012).

散射（無(wú)光圈）SNOM

散射（無(wú)孔）SNOM技術(shù)通常用于可視化等離子體結(jié)構(gòu)中的局部電磁場(chǎng)。在這種技術(shù)中，使用尖銳的探針將局部近場(chǎng)光散射到遠(yuǎn)場(chǎng)中。在掃描樣品表面時(shí)在遠(yuǎn)場(chǎng)中測(cè)量散射的輻射強(qiáng)度，從而以空間分辨率?10 nm可視化結(jié)構(gòu)中局部光的分布。