CC BY
74
БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ ПРИСТАВКА ДЛЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО МИКРОСКОПА С БЛОКОМ НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
Александр Григорьевич Верхогляд
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, заведующий лабораторией, тел. (383)306-58-68, e-mail: [email protected]
Василий Валерьевич Герасимов
Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 11, младший научный сотрудник, тел. (383)329-48-39, е-mail: [email protected]
Марина Андреевна Завьялова
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, младший научный сотрудник, тел. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Борис Александрович Князев
Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, 630090, Россия, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 11, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)329-48-39, е-mail: [email protected]
Сергей Николаевич Макаров
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, старший научный сотрудник, заместитель заведующего лабораторией, тел. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Дмитрий Георгиевич Родионов
Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, 630090, Россия, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 11, аспирант СО РАН, старший лаборант, тел. (383)329-48-39, е-mail: [email protected]
Описаны состав и устройство ближнепольной сканирующей приставки для терагерцового спектрометра нарушенного полного внутреннего отражения.
Ключевые слова: терагерцовое излучение, конфокальный датчик для измерения расстояния, ближнепольная сканирующая микроскопия.
NEAR-FIELD SCANNING MODULE FOR TERAHERTZ SPECTROMETER FRUSTRATED TOTAL INTERNAL REFLECTION
Aleksander G. Verkhoglyad
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Head of Laboratory,
tel. (383)306-58-68, e-mail: [email protected]
Vasily V. Gerasimov
Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090,
Russia, Novosibirsk, 11, Akadem. Lavrent’eva pr., Junior Researcher, tel. (383)329-48-39, е-mail: [email protected]
Marina A. Zavjalova
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Junior Researcher,
tel. (383)306-58-66, e-mail: [email protected] Boris A. Knyazev
Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 11, Akadem. Lavrent’eva pr., Dr. Sci., Principal Researcher, tel. (383)329-48-39, е-mail: [email protected]
Sergei N. Makarov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Senior Researcher, Deputy of Laboratory Head, tel. (383)306-58-66, e-mail: [email protected]
Dmitry G. Rodionov
Budker Institute of Nuclear Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 11, Akadem. Lavrent’eva pr., Post-graduate student of SB RAS, Laboratory assistant, tel. (383)329-48-39, е-mail: [email protected]
This article presents the design concept of near-field scanning attachment for terahertz spectrometer frustrated total internal reflection.
Key words: terahertz radiation, confocal sensor for distance measurement, near-field scanning microscopy.
Введение
В 1982 г. Дитером Полем (лаборатория фирмы IBM, г. Цюрих, Швейцария) был изобретен ближнепольный оптический микроскоп, в котором для преодоления дифракционного предела использовалось явление прохождения света через субволновые диафрагмы (отверстия с диаметром много меньше длины волны падающего излучения) [1]. В настоящее время ближнепольная оптическая микроскопия хорошо развита для видимого спектра электромагнитного излучения. Однако, для исследователей в материаловедении, биологии, медицине большой интерес представляют исследования материалов в диапазонах, выходящих за пределы видимого. Одним из таких диапазонов является диапазон терагерцовых (ТГц) длин волн, в котором можно получить принципиально новые характеристики материалов. В работе [2] обсуждаются результаты экспериментального исследования механизма взаимодействия когерентного ТГц излучения с системой зонд-нанообъект в ТГц безапертурном ближнепольном
микроскопе. Получены зависимости дифференциального сигнала ТГц поля от расстояния между зондом и образцом. Однако, созданный ТГц микроскоп ближнего поля относится к контактным и полуконтактным способам измерения и не пригоден для исследования образцов, обладающих малой механической жесткостью. Нашей задачей является построение микроскопа ближнего поля, позволяющего исследовать органические материалы и биологические объекты в сверхтонком слое. Для этого нами предложено объединить два метода - метод ТГц спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) [3] и метод ближнепольной сканирующей микроскопии (БЗСМ) [4]. Комбинация этих двух методов дает возможность исследовать спектральные характеристики тонких слоев материалов, обладающих очень большим коэффициентом поглощения в ТГц диапазоне, за счет введения специального зонда в область локализации эванесцентной волны, сканирования поверхности объекта и детектирования результата взаимодействия объекта и зонда. Тем самым, появляется возможность исследовать оптические свойства образца в локальных областях, соответствующих размеру зонда (как правило, диаметр апертуры которого много меньше длины волны излучения).
Целью работы является разработка ближнепольной сканирующей приставки на базе терагерцового микроскопа с блоком НПВО.
Терагерцовый ближнепольный микроскоп с блоком НПВО
Схема собранного терагерцового микроскопа с блоком НПВО показана на рис. 1. Источником терагерцового излучения служит Новосибирский лазер на свободных электронах (н.л.с.э.) [5]. Его излучение представляет собой последовательность 100пс импульсов, следующих с частотой повторения 5,6 МГц. Пучок имеет гауссову форму (радиус 9 мм) и линейно поляризован. Излучение н.л.с.э. - монохроматическое с относительной спектральной шириной 0.3 - 1 % и может плавно перестраиваться по длине волны в диапазонах 120 - 240 и 20 - 100 мкм. Средняя мощность излучения на рабочей станции в стандартных режимах обычно составляет 10 - 100 Вт.
Ближнепольная сканирующая приставка
Рис. І. Схема оптического терагерцового микроскопа с блоком нарушенного полного внутреннего отражения
Излучение н.л.с.э. фокусируется с помощью линзы из полиметилпентена (ТРХ) с фокусным расстоянием f = І50 мм на поверхность кремниевой призмы с образцом. В область эванесцентной волны с помощью ближнепольной сканирующей приставки вводится металлический зонд. При длине волны І40 мкм глубина проникновения эванесцентной волны в воздух составляет І0 - 20 мкм, а значит, размер исследуемых объектов может варьироваться от величины, равной диаметру кончика зонда, до ~І0 мкм. Субволновой зонд в виде вольфрамовой иглы с диаметром кончика d = 0,І-І мкм рассеивает излучение, которое собирается с помощью второй линзы с f = 50 мм. Диаметр линзы равен 50 мм, что позволяет захватить значительную часть рассеянной волны. Далее с помощью системы сбора и вывода рассеянного излучения пучок направляется на вход детектирующей системы. Модуль н.п.в.о. и ближнепольная сканирующая приставка расположены на виброизолирующей платформе с пневматическим подавлением колебаний (модель Newport M-BT-2024-OPT 02 BenchTopTM).
Размер освещаемой лазером внутренней поверхности призмы ограничен дифракционным пределом и равен ~ І мм, что значительно превышает диаметр зонда, поэтому мощность рассеянного излучения будет очень мала. Для увеличения мощности полезного сигнала, создана система синхронного детектирования рассеянного излучения, модулированного с помощью механических колебаний кончика зонда.
Ближнепольная сканирующая приставка
Ближнепольная приставка (рис. 2) включает в себя оптический датчик І, подробно описанный в [6], позволяющий при сканировании достичь чувствительности к изменению уровня поверхности образца порядка І00 нм, jyZ-по.зиционируютттую платформу 2 на основе пьезоподвижек фирмы Physik Instrumente (модель М-66З) с шагом сканирования 0,І мкм в диапазоне 20 мм по трем осям. Она обеспечивает механическое позиционирование субволнового зонда З над поверхностью НПВО-элемента 4. Субволновой зонд З закреплен на стержне магнитострикционного генератора колебаний 5. Необходимость введения генератора была обусловлена малой величиной радиометрической мощности рассеянного с зонда ТГц излучения на фоне основной мощности. Разработчикам удалось реализовать генератор с частотой первой моды колебаний, а именно ~26 І0 Гц. При этом амплитуда колебаний концов стержня равна І - З мкм. Также в состав ближнепольной приставки вошел держатель 6 для проецирующей оптики, позволяющей снимать сигналы с острия зонда.
Для калибровки системы в схему введен датчик касания, в котором применен новый метод определения расстояния между острием проводящегозонда и проводящей поверхностью. Метод основан на экспериментально измеренной зависимости установившегося тока
отрицательного коронного разряда от расстояния между зондом и поверхностью. Применение данного метода позволяет использовать грубое (с субмиллиметровым шагом) приближение острия зонда к поверхности и, тем самым, сократить время, требуемое для точного приближения, обеспечивающего безопасное касание поверхности.
Рис. 2. Ближнепольная сканирующая приставка:
1 - оптический конфокальный датчик; 2 - ХУИ-позиционирующая платформа; 3 - субволновой зонд; 4 - н.п.в.о.-элемент; 5 -генератор колебаний; 6 - проецирующая оптика; 7 - датчик касания
Основные результаты
Нами разработана и изготовлена ближнепольная сканирующая приставка для терагерцового оптический микроскопа, работающего в режиме НПВО, в котором в качестве источника излучения используется перестраиваемый по длине волны лазер на свободных электронах. Основными элементами приставки являются: конфокальный датчик для измерения расстояния с субволновым зондом в виде вольфрамовой иглы, ХУИ-позиционирующая платформа, датчик касания и генератор колебаний. Все узлы прошли предварительные испытания. Были проведены первые эксперименты по изучению возможностей терагерцового микроскопа на излучении лазера на свободных электронах с длиной волны, равной 140 мкм, в котором в качестве детектора использовалась ячейка Г олея, подключенная к синхронному усилителю SR-830. Это позволило определить источники паразитной засветки. Направлением дальнейших исследований является разработка высокочувствительной системы детектирования терагерцового излучения и модификация регистрирующей системы микроскопа с блоком НПВО.
1. Pohl D. W., Denk W., Lanz M. Optical stethoscopy: Image recording with resolution АУ20 // Appl. Phys. Lett. - І984. - V. 44. - P. б5І-б5З.
2. Трухин В. Н., Андрианов А. В., Быков В. А., Глубок А. О., Зиновьев Н. Н., Самойлов Л. Л., Сапожников И. Д., Трухин А. В., Фельштын M. Л. Взаимодействие терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом безапертурном ближнепольном микроскопе // Письма в ЖЭТФ. - 20ІІ. - Т. 9З. - № З. - С. ІЗ4.
3. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - Нижний Новгород: Институт физики микроструктур РАН, 2004.
4. Герасимов В. В., Князев Б. А. Особенности спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения в терагерцовом диапазоне // Вестник НГУ. Сер. Физика. - 2008. -Т. 4. - Вып. 4. - С. 97.
5. Shevchenko O. A., Arbuzov V. S., Chernov K. N., Dementyev E. N., Dovzhenko B. A., Getmanov Ya. V., Gorniker E. I., Knyazev B. A., Kolobanov E. I., Kondakov A. A., Kozak V. R., Kozyrev E. V., Kubarev V. V., Kulipanov G. N., Kuper E. A., Kuptsov I. V., Kurkin G. Ya., Medvedev L. E., Mironenko L. A., Ovchar V. K., Persov B. Z., Pilan A. M., Popik V. M., Repkov V. V., Salikova T. V., Scheglov M. A., Sedlyarov I. K., Serdobintsev G. V., Serednyakov S. S., Skrinsky A. N., Tararyshkin S. V., Tcheskidov V. G., Vinokurov N. A., Vlasenko M. G., Vobly P. D., Volkov V. N. Budker INP free electron laser facility: current status and future prospects // Proceedings of RUPAC 20І2. Saint-Petersburg, Russia, 20І2. - P. ІЗб.
6. Верхогляд А. Г., Герасимов В. В., Завьялова М. А., Князев Б. А., Макаров С. Н., Ступак М. Ф. Концепция построения ближнепольной сканирующей приставки для терагерцового спектрометра нарушенного полного внутреннего отражения // Оптикоинформационные измерительные и лазерные технологии и системы: юбилейный сборник избранных трудов КТИ НП СО РАН. - Новосибирск: Академическое издательство «Г ео», 20І2. - С. 409-427.
© А. Г. Верхогляд, В. В. Герасимов, М. А. Завьялова, Б. А. Князев, С. Н. Макаров, Д. Г. Родионов, 2014
б
