🗊Презентация Электромагнитное излучение на границе раздела сред и в структурированном веществе. Оптическая микроскопия ближнего поля

ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ №3 Электромагнитное излучение на границе раздела сред и в структурированном веществе. Оптическая микроскопия ближнего поля. Астапенко В.А., д.ф.-м.н.

Отражение и преломление электромагнитных волн

Полное внутреннее отражение Эванесцентные волны

Граничные условия

Формулы Френеля i – падающая волна, r – отраженная волна, p – преломленная волна

Коэффициент отражения

Угол Брюстера и угол полного внутреннего отражения

Коэффициент отражения излучения от границы раздела сред при перпендикулярной и параллельной поляризации как функция угла падения для двух значений относительного показателя преломления: n(r) =n2 /n1 = 0.5, 2

Отражатель Брэгга – одномерный фотонный кристалл

Спектр отражения электромагнитного излучения от отражателя Брэгга (1я (левая) четверть рисунка). Профиль поля электромагнитной волны в толще отражателя Брэгга (вставка). Дисперсионная зависимость для света в отражателе Брэгга (2я четверть рисунка). Тонкой линией показана дисперсия свободного фотона. Спектральная зависимость мнимого волнового вектора в области фотонной запрещенной зоны (3я четверть рисунка). Спектр плотности фотонных состояний в отражателе Брэгга (4я четверть рисунка)

Волоконные световоды

Принципы нанооптики

Соотношение неопределенностей Гейзенберга как аналог критерия Релея

Эванесцентные волны

Одна из реализаций эванесцентных волн Как показал Г. Бете, при прохождении излучения через апертуру с диаметром d, меньшим длины волны излучения, тогда коэффициент пропускания T  (/d)4 <<1 и волновой вектор чисто мнимый Вывод: при распространении излучения в неоднородном пространстве релеевский предел для разрешаемого расстояния, вообще говоря, не выполняется, и в принципе возможно существенно увеличить разрешающую способность оптического прибора.

Первый проект микроскопа ближнего поля

Трудности на пути реализации метода Синджа (E.H. Synge ) – высокая интенсивность источника освещения; – необходимость точной установки расстояния между освещаемым отверстием и объектом; – приготовление образца с ровной горизонтальной поверхностью; – конструкция непрозрачного экрана с диаметром отверстия порядка 10–6 см.

Эксперимент по регистрации эванесцентной волны

Эванесцентные волны в ближнеполевой микроскопии Выше был рассмотрен простейший случай, когда эванесцентное поле возникает в результате эффекта полного внутреннего отражения на плоской поверхности раздела двух сред. Для оптической ближнеполевой микроскопии характерна другая ситуация, когда эванесцентная волна формируется в результате прохождения через апертуру субволнового радиуса. Это явление используется для получения оптических изображений с разрешением, во много раз превышающим граничное значение, установленное критерием Аббе и разрешающую способность конфокального микроскопа

Распространение волны через апертуру малого диаметра

Первая реализация оптической стетоскопии Впервые возможность получения субволнового разрешения в оптической области была продемонстрирована в статье 1984 года Д. Полем (D.W. Pohl) и соавторами из лаборатории IBM в Цюрихе Для иллюстрации принципа действия своей оптической системы цитируемые авторы использовали медицинский стетоскоп. Этот простой прибор позволяет локализировать положение сердца пациента с точностью порядка 10 см при использовании звука с длиной волны почти 100 м. В таком случае имеет место разрешение порядка за счет использования малой апертуры (нижний конец стетоскопа) и малого расстояния от него до исследуемого объекта (сердца). Принцип стетоскопа может быть перенесен на другие типы и длины волн, что и было практически реализовано Д. Полем и соавторами. Апертура малого радиуса (30 нм) была изготовлена на острие кварцевого кристаллического стрежня (100 мм длиной и 2 мм толщиной)

Распространение эванесцентной волны Длина волны излучения равна 100 радиусам отверстия

Схема ближнеполевого сканирующего оптического микроскопа. Near Field Optical-Scanning (NFOS или SNOM)

Активный элемент (острие, зонд) ближнеполевого микроскопа

Контроль дистанции острие–образец Контроль дистанции между острием и образцом в нанометровом масштабе имеет решающее значение для работы NFOS микроскопа, поскольку область взаимодействия зонд–образец должна быть ограничена эванесцентной зоной т.е. расстоянием не более 5 нм от поверхности образца.

Сканирующий оптический туннельный микроскоп (СТОМ) В данном случае роль туннельного электронного тока играет эванесцентное электромагнитное поле, экспоненциально затухающее при удалении от поверхности призмы. Эванесцентное поле возбуждается в условиях полного внутреннего отражения распространяющейся электромагнитной волны от верхней горизонтальной поверхности призмы. Исследуемый образец располагается на поверхности призмы в области действия эванесцентного поля. Топография образца пространственно модулирует эванесцентную волну, и изменение ее интенсивности регистрируется острием зонда, сканирующим поверхность образца. В зонде происходит конверсия эванесцентного поля в распространяющуюся моду оптоволокна, которая посылается в детектор. Разрешающая способность СОТМ порядка 100 нм