（机械制造及其自动化专业论文）近场虚拟光探针设计及其光场分布特性研究.pdf

讧最文学硕士学位论文 摘要 近场虚拟光学探针提供突破光学衍射极限的纳米级光源。以往普通光纤探针 的通光效率在( 1 0 - 4 1 0 - 6 ) ，峰值强度随着距离增大急剧下降，且间距必须严格 控制在近场区域( 5 0 n m 左右) ，不是理想的微纳光源。虚拟光学探针具有通光效 率较高，其数量级在1 0 - 2 ；光场分布的中间峰的半峰全宽( 即虚拟光探针的尺寸) 在一定距离范围内基本保持不变。特别适合微细加工，高密度数值存储，和微细 结构的光学探测，突破以往近场光学系统中纳米间距控制技术和光学强度不足的 技术瓶颈。 本论文探讨了虚拟光探针形成机理，通过建立其数学物理模型，运用光学折 射、全反射、干涉等几何光学知识和光学电磁理论对其机理详加阐述，并根据其 机理，运用理想光学系统理论和m a t l a b 的编程和s i r n u l i n k 仿真模块数学工具，进 行虚拟光探针系统的设计。 本论文着重采用有限积分方法( f i n i t ei n t e g r a t i o nm e t h o d ，f i m ) ，以矢量形式， 利用商用电磁仿真软件c s tm w s ，对虚拟光学探针内电磁场进行了数值模拟，采 用将聚焦显微聚焦子系统进行缩放的技术，实现对整个虚拟光探针系统整体进行 模拟，避免了清华大学采用双光束模型了对系统所作的假设与近似。通过模拟给 出了虚拟光探针准确的电磁场分布及能量密度的分布。观察模拟结果，发现旁瓣 现象，经分析其产生机理，得到抑制旁瓣的解决方案。对结构参数进行优化设计， 并用数值模拟加以验证，最终得到理想的光场分布。 最后，探索展望了虚拟光学探针在显微成像、先进光学制造、信息存储、光 学测试中的应用和发展前景。 关键词：虚拟光探针，近场光学，衍射极限，有限积分法( f i m ) 仁苏土学硕士学位论文 a b s t r a c t an e a r - f i e l do p t i c a lv i r t u a lp r o b e ( n f o v p ) ，ak i n do fi m m a t e r i a lt i pb a s e do n e v a n e s c e n tw a v ei n t e r f e r e n c ep r o v i d e sak i n do fl l a n o s o u r c e sb e y o n dt h ew a v e l e n g t h i t st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi sl o 乞1 0 4t i m e sh i g h e rt h a nt h a to ft h en a n o a p e r t u r e m e t a l c o a t e df i b r ep r o b ew i d l yu s e di nn e a r - f i e l do p t i c a ls y s t e m t h ef u l lw i d t ha th a l f m a x i m u m ( f w h m ) o ft h ep e a li no t h e rw o r d s ，t h es i z eo fv i r t u a lp r o b e ，i sc o n s t a n t w h a t e v e rt h ed i s t a n c ei nac e r t a i nr a n g es ot h a tt h ec r i t i c a ll l a n o s e p a r a t i o nc o n t r o li nt h e n e a r - f i e l ds y s t e mc a l lb er e l a x e d s ot h ev i r t u a lo p t i c a lp r o b eh a sb r o k et h o u g ha n d s o l v e dt w od i f f i c u l t i e si nf o r m e rn a n o s y s t e md e t e c t i o n sa n do p e r a t i o n s ，m a k i n gi tf i t f o rb e i n gu s e di nn e a r - f i e l dh i g h - d e n s i t y o p t i c a l d a t as t o r a g e ，n a n o l i t h o g r a p h y , n e a r - f i e l d o p t i c a li m a g i n ga n ds p e c t r a ld e t e c t i o n , n e a r - f i e l dm a n i p u l a t i o no f l l a n o s p e c i m e n , e r e i nt h et h e s i s ，t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h ev i r t u a lp r o b ei sa n a l y s e db yg i v i n gi t s m a t ha n dp h y s i c sm o d e lf i r s tt om a k ei tm u c he a s i e r i nt h ep r o c e s so ft h ea n a l y s i s ， m a n yo p t i c a lt h e o r i e sa r eu s e ds u c ha so p t i c a ld i f f r a c t i o n , i n t e r f e r e n c ea n do p t i c a l e l e c t r o m a g n e t i s m a f t e rs t u d y i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m , t h es k e t c ho fav i r t u a l o p t i c a lp r o b es y s t e mi sp r o p o s e dw i t ht h eg u i d eo f t h e o r yo f i d e a lo p t i c a ls y s t e ma n dt h e m a t h e m a t i c st o o l i n gm a t l a ba n di t ss i m u l i n km o d u l e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co f n f o v pb yt h em e t h o do f3 - df i n i t e i n t e g r a t i o nm e t h o dw i t i lc s tm w s a3 - d e l e c t r o m a g n e t i s mn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h ef i n i t ei n t e g r a t i o n a r i t h m e t i c b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h en f o v pe n e r g yd i s t r i b u t i o nw a sg o t t e n a n d s o m ep a r a m e t e r s s u c h t h es i z ea n df i g u r eo f h o l e , w e r eo p t i m i z e dt og e tm u c hm o r e i d e a le n e r g yd i s t r i b u t i o nm a k i n gi tm o r ef i tf o ri t sa p p l i c a t i o n s a tl a s t ，t h ea p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n to fn d o v pw a ss t u d i e d , e s p e c i a l l yi n m i c r o f a b r i c a t i o n s k e y w o r d s ：o p t i c a lv i r t u a lp r o b e ，n e a r - f i e l do p t i c a l ，d i f f r i c 砒i o nl i m i t , f i n i t e i n t e g r a t i o n 学位论文版权使用授权书 9 7 5 1 5 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密彤 学位论文作者签名：访，凡匀 办一占年易月，歹日 指导教师签名：但乃乃 那钐年告月万日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名蔬，土毛 日期：办肿占年b 月7 箩日 缸苏太学硕士学位论文 第一章引言 1 1微纳系统及其探测加工方法 1 1 1m e m s & n e m s 微纳系统 2 1 世纪的微米、纳米技术将对材料、器件和系统的发展带来根本性的突破， 开发高性能的微系统和纳系统是微米纳米技术的最终目标之一。微系统( m i c r o s y s t e m ) 和纳系统( n a n os y s t e m ) 又分别称为微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ，m e m s ) 和纳机电系统( n a n oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，n e m s ) 。一般地讲， 微纳系统比微纳机电系统的范围要广。如无特殊说明，不必严格区别这两者，例 如有人建议把m e m s 理解为m i c r oe n g i n e e r 和m i c r os y s t e m 。m e m s 在某种程度 上可以看成集成电路i c 的扩展。如果i c ( 微处理器和信号电路) 可以比喻为人的 大脑和神经网络，那么m e m s 就为这大脑提供了获取信号的微传感器和执行其命 令的微执行器，如在电路上加入诸如薄膜、梁、弹簧和齿轮等m e m s 机械元件， 就能够对环境具有感知、思考、决策和反应控制能力。这些微系统可以高密度地 集成在一块很小的体积中，极大地提高信息技术的能力。现在器件已经在很多商 业领域中得到了应用并形成了产业，特别是形成了信息微系统( r r - m e m s ) 和生 物微系统( b i o m e m s ) 两个重要发展方向。目前，正在加速芯片水平的电子光 - m e m s 集成技术的研究。 微系统是随着i c 微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的， 并非单纯的微小化。微电予技术和微机械技术是它的两个基础技术。微电子技术 是在硅片上制作电路的技术，已经发展的相当完善。微机械技术则是制作微结构 和活动部件的技术【l 】。 1 1 2 超精细结构的光学探测方法 由于传统光学，即远场光学，其精度都受到光学衍射效应的限制，传统光学的 分辨率不能超过光波长的一半，这个规律是一个多世纪前德国科学家e r n s t a b b e 根 据衍射理论推导出来。而后r a y l e i g h 归纳为一个常用公式瑞利判据： 1 2 2 五 a ，= 一一 2 n s i n ( o ) 2 口透镜光圈的半张角n s i n o * 1 3 1 5 ( 2 1 仁最大学硕士学位论文 1 9 2 8 年e h s y n g e 提出突破衍射极限的近场光学方法，如图1 1 所示。它的原 理可以简单描述为：当一束电磁波从小孔中发射时，它起初是与小孔平行，其平 行距离约为孔径的一半，当光波传输了一段距离后，限制光学成像的衍射才发生 作用，因此，在近场区域，光束的形状主要取决于小孔的形状尺寸而与波长无关。 当小孔尺寸足够小时，在近场区可获得足够小的光源。也就是说当光通过一个尺 度远小于波长的小孔，同时控制它与样品间距在近场( ) 范围内对样品进行 扫描成像时，其空间分辨将主要取决于小孔的尺度及小孔与样品间距而不受衍射 极限的限制。这种成像原理的本质是：光通过小孔时产生辐射场和非辐射场( 衰 逝场) ，其中的衰逝场携带了高频成分，在近场范围内可与被测样品作用，将衰逝 场转为辐射场面被检测，从而拓宽了捡测系统的频带。但是，由于当时的工艺条 件下不能解决亚波长的制作、小孔精确定位合扫描技术等问题，所以近场光学技 术一直没能得到实现，只能是一个梦想【3 】。 0 廿0 寸专 图1 1 近场探测原理【4 l 1 9 8 1 年，扫描隧道显微镜s t m 出现，激发了各种扫描探针显微技术s p m 的 发展。 1 9 8 2 年，d wp o h l 在s t m 的基础上，首次在技术上实现了扫描近场光学显 微技术s n o m ，分辨率为2 5 r t m ( 2 0 ) 。 进入9 0 年代，b e l l 实验室的e b e t z i g 解决了镀a l 膜的光纤超微探针拉制和 韧致力针尖一样品( s h e a r - f o r c et - s ) 间距控制这两个技术难题。大大促进了s n o m 的发展【4 1 。 “ 1 1 3 超微细加工技术 微制造技术是指制作微米量级的三维结构、器件和系统的技术，包括微机械 结构和微电子电路的集成技术。经过十几年的发展，目前已经取得了很大的进步。 2 江募文学硕士学位论文 1 以硅表面加工和体n t 为主的硅微加工技术。 2 利用x 射线深层光刻、电铸的l i g a 工艺，简称为x 射线光刻微加工技术， 比硅微细加工技术在加工图形的深宽比及加工材料的广泛性等方面有其突出有 点，它实际上是一种微器件制造提供模具的技术。 3 传统的超精密机械加工技术，微细电火花加工e d m ，超声波加工等特种 微细加工技术也有了新的较大发展，可以用作微小零件制造。 f 猢黼工 ，一 特种糯密加工 徽细电解加工 l 镪缎电火琵加工 l lf 獭，- 铷工 l 能赢招工 电子柬加工 l l 离子束加工 l lf 各向异性腐蚀 j 傩建力b 工 自停止嚣蚀 赫型制造技术l 黼离子撇 ( 毫也笋 lf 等离子殛反应离子捌蚀 l 硅表面黻如工 涎积 ll - 牺牲层蒋憧 l 删一工r 啪枷工准u 蝴工 ll 黟e 光子光刻加工 盘津删 麟摞针加工 l 虚拟光撮钳光刻 图1 2 微型加工技术 在资讯高度发达的今天，信息呈爆炸式增长。对如此众多的信息怎样实现检测、 转换、传输、存储和处理成为人们关注的重要问题。在过去的五十年里，晶体管 的特征尺寸已按m o o r e 定律由l c m 降低到目前的近o 1um ，如今最新型的微处理 器集成了4 0 0 0 多万个晶体管，到2 0 1 5 年时微处理器可能达到近5 0 亿个晶体管。 随着整个制造技术水平向0 1pm 逼近，人类加工能力即将进入一个空前的高度。 整个微电子领域的前沿热点从制造技术、器件物理、工艺物理到材料技术等方面 讧象文学硕士学位论文 随之全面进入1 0 0n l n 以下的纳米领域，微电子技术在高速发展的同时必将遭遇科 学、技术和经济极限问题，这就使得我们必须研究纳米尺度中的理论问题和技术 问题，建立适应纳米尺度的新的集成方法和新的技术标准【l 】。 2 0 世纪8 0 年代，扫描探针显微镜( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ，s p m ) 的发明 使人们对物质世界的认识与改造深入到了原子、分子层次。由于s p m 的针尖曲率 半径小，且与样品之间的距离很近( 1n m ) ，在针尖与样品之间可以产生一个高 度局域化的场，包括力、电、磁、光等。利用s p m 探针形成的高度局域化的电场、 力场、磁场或电磁场等，诱导或增强样品表面局域的物理化学反应，会在针尖所 对应的样品表面微小区域产生结构性缺陷、相变、化学反应、吸附质移位等干扰， 并诱导化学沉积和腐蚀，从而实现纳米尺度的加工过程，其空间分辨率有望达到 1 0 2 0 n m 。这正是利用s p m 进行纳米加工的客观依据。同时也说明，s p m 不是 简单用来成像的显微镜，而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具。 自1 9 8 2 年m m 公司的gb i n n i n g 和h r o h r e r 发明了扫描隧道显微镜以来， 扫描探针技术在表面科学、材料科学和生命科学等领域的样就中发挥了巨大的作 用，并有广阔的应用前景。1 9 8 7 年，a t & t 公司b e l l 实验室的b e c k e r 1 等人利用 扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l l i n gm i c r o s c o p e ，s t m ) 的针尖首次实现了单晶 锗表面的原子级加工，即在表面形成人造的原子级结构，表明了利用s p m 进行纳 米级加工的可能性，预示着进行原子级加工的时代已经到来。 九十年代初，e s n o w 和j d a g a t a 率先利用扫描探针显微镜在半导体表面制作 了简单的纳米结构。而d e i g l e r 更是开创性地利用原子搬迁技术，将单个x e 原子 在n i ( 1 1 0 ) 表面排出了仅5 0 埃的字体，1 9 9 3 年d a y 和a l l e e 成功地实现了硅表 面的纳米结构制备，给微电子工业的持续发展带来了新的曙光。在这之后，利用 s p m 进行纳米刻蚀和纳米加工的方法层出不穷，加工的材料和加工所需的条件也 发生了很大的变化，扫描探针纳米加工技术逐渐发展成为纳米科技的核心技术之 一。从此扫描探针显微镜作为一种高精度的微加工工具而迅速在各个领域中得到 、广泛的应用【5 】。， 。 。、。一。，u 目前，人们在硅、非晶硅，砷化镓薄膜等半导体材料，聚甲基丙烯酸甲脂 ( p a n d a ) 、聚丁二炔( p 4 b c m u ) 等光刻胶，钛、钴、镍、镉和铝等金属膜，l b 膜和自旋玻璃等材料上都实现了扫描探针的加工。主要制作方法有机械刻蚀、电 致刻蚀、光致刻蚀、热致刻蚀和浸笔印刷术等重要的扫描探针加工技术嘲。 4 讧券文学硕士学位论文 1 2 光观测、光制造、光存储中突破光学衍射极限方法 1 2 1 近场光学技术 由于传统的光学方法无法逾越光学衍射的界限，微器件制造精度的每提高o 1 “m ，都要付出不菲的代价，如图1 3 ，给出了光电子器件的衍射界限。为了进一 步提高加工精度，对突破光学衍射极限，进入纳光子世界提出迫切的需求，近场 光学技术自从1 9 8 2 年s n o m 问世以来，作为突破光学衍射极限的主要手段，无论 在光学光测、存储、微细加工中，均得到快速的发展。 图1 3 微细加工中的衍射界限1 7 1 1 2 2 负折射率介质 近几年来，负折射介质由于其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景而获得 了国际学术界的广泛关注。负折射介质指的是介电常数和磁导率同时为负的介质， 这时介质的折射率小于零。光从常规材料( 正折射率介质) 入射到负折射介质的 界面时将发生负折射现象，折射光线与入射光线在界面法线的同侧。负折射介质 改变了光波传播的传统图像。在负折射介质中，光波传播的方向( 即波矢方向) 。 正好与能量传播的方向相反，同时电场、磁场与波矢满足左手规则( 不同于传统 介质中的右手规则) 。负折射介质最引人注目的地方是它们能够放大倏逝波，从而 实现“超透镜效应”，成像系统中实现超微细分辨率( 亚波长) ，例如，“理想透镜”， 由伦敦皇家学院的p e n d r y 研究了负折射晶体中电磁波的传播行为，指出这样的晶 5 江募土学硕士学位论文 体对于光来说就如同一个透镜，可以在晶体中和晶体后成两个实像，但相比于普 通的透镜，突破了衍射极限的限制。他铸造的一个负折射率厚平板界标，可以作 为透镜，对亚波长间隔的源成像，对比度比正n 近场系统至少要高5 倍，极大地 提高了透镜成像的分辨率。这将在核磁共振成像、光存储和超大规模集成电路中 的光刻技术等诸多方面得到应用。大幅度提高光学存储器的存储容量，硅篇上晶 体的集成规模，甚至有入评价p e n d r y 提出负折射率的工作可以与当年d i r a c 提出 正电子理论的工作相提并论【8 9 i 1 2 3 多双光子吸收 多双光子吸收是指在强光激发下，介质分子同时吸收两个或两个以上光子， 从基态跃迁到两倍或两倍以上光子能量的激发态的过程。1 9 3 7 年，迈耶( m g o p p e e rm a y e r ) 用量子力学理论计算了辐射与原子系统的相互作用问题，预言在 强光作用下，多光子吸收是可能的。1 9 6 1 年，凯瑟( m k a i s e r ) 等人用红宝石激 光器发出的6 9 4 3 r i m 红光照射到掺有e u 2 + 上，观察到4 2 5 n m 的荧光，而荧光的 强度与入射激光强度的平方成正比，经分析判断，这就是双光子吸收过程 。 在强光作用下，即当光电场强度与分子内的电场可以相比较时，许多介质呈 现出显著的非线性性质。介质在强光作用下产生的电极化强度如下式所示 1 1 】： p = e o x ( 1 ) e + e o z ( 2 ) e e + s 0 2 a 3 ) e e e + ( 1 2 ) z ( 1 ) 是介质的一阶电极化率，即线性电极化率，为二阶张量；z ( 2 ) 是二阶电极 化率，为三阶张量；z ( 3 ) 是三阶电极化率或非线性电极化率，为四阶张量。z ( 2 ) 引 起诸如二次谐波产生、线性光电效应等二阶非线性光学效应；z 【3 ) 对应于光克尔效 应、四波混频、三次谐波产生、双光子吸收等三阶非线性光学效应。 s 。 岛 s 一单光子吸 专 ji 收 j - 彀光 a l也 图1 4 单光子吸收与双光子吸收原理图 分子发生单光子吸收时，吸收一个波长为2 j 的光子就可以从基态岛到激发态 毋，分子在这个高振动能级上寿命极短，可迅速弛豫到激发态岛的最低振动能级， 6 讧募土学硕士学位论文 再通过光辐射、内转换或化学反应等途径失去活性；与单光子吸收不同，发生双 光子吸收时分子同时吸收两个波长相同的光子知达到激发态研，或者吸收波长不 同的屯和如光子到达较高的激发态& 、品，由于分子的岛、晶与岛态能差很小， 分子在激发态上寿命很短，可迅速通过无辐射过程弛豫到激发态的最低振动能 级，然后与单光子过程一样，通过函发生电子转移或能量转移发生反应【1 2 l ，如图 1 4 所示。 物质与光场相互作用有两种方式：耗散过程和参量过程。在参量过程中，光场 的不同模式之间交换能量和动量，但光场与物质之间不交换能量。而对于耗散过 程，光场通过吸收与辐射与物质交换能量。公式( 1 2 ) 中的z 【1 ) 描述了线性吸收， 偶次极化率对耗散过程无贡献，因此最低阶的非线性吸收可用z 1 3 ) 的虚部来描述， 它对应于双光子吸收，即在强光激发下，通过中间态直接或分步地吸收两个光子 的过程，它是一个三阶非线性耗散过程，在该过程中，介质与光场之间通过光的 吸收和发射交换能量。与单光子吸收不同的是，双光子吸收过程中光与介质在单 位时间、单位体积内的能量交换与入射光的强度的平方成正比【l 引。双光子非线性 吸收激发的有效作用体积小，可以完成物质体内的定点操作，空间分辨率高，如 图1 5 。可见双光子加工有效光斑区远小于激光波长衍射的尺寸，具有空间选择“点” 的能力，实现突破光学衍射极限，精度可以达到衍射极限的3 5 ，约几十纳米级 的观测和加i t l 4 1 。 纂患置燃飘盎i 爨牧 图1 5 多光子吸收突破光学衍射原理图 7 江番太学硕士学位论文 1 3 近场技术的发展及应用 1 3 1 近场光学及其发展 物体表面外的场分布可以划分为两个区域：一个是距物体表面仅几个探测光波 长 以内的区域，即近场区域；另一个是从近场区域外至无穷远处，称为远场区 域。 近场光学涉及的几何尺寸在亚波长( 1 0 1 0 0 n m ) 的尺度范围内，属于典型的介 观领域，还有许多理论问题有待解决，作为独立的分支学科尚需一些时日才能比 较完整的建立起来。其主要研究近场光学显微镜的理论模拟，计算不同形貌和物 理性质的表面近场区域的电磁场，以及近场光学器件等。 2 0 世纪初，j z e n n e c l q a s o m m e r f e l d ，最早发现消逝场。 4 0 年代u j f a n o ，首先发现消逝场与衍射的关系。 1 9 9 6 年，m a p a e s l e r ，以“近场光学”为书名著书：j o h nw i l e y , s o n s n e a r - f i e l d o p t i c s m i n c ，1 9 9 6 在麦克斯韦地磁理论中，讨论物体吸收和散射时可使用较简单的偶极子模型， 图1 6 画出了偶极子辐射场的计算示意图。通过计算可得到，从o 点到达r 点处的 电场e 和磁场h 分别是 e = e 舢+ r a f ( 1 3 ) h = 以， ( 1 4 ) 其中，i r ，i 和i ，是球极坐标的单位矢量，而e r ，e 。和h ，分别为 e r = 2 t p ( t ) r 3 + 【p ( f ) t c r 2 c o s 0 ( 1 5 ) 岛= t p ( f ) 】r 3 + 【p ( f ) 】础2 + 【p o ) “】c 2 r s i n o ( 1 6 ) h v = t 尸( r ) c r 3 + 【p ( r ) ”】c 2 r s i n 0 ( 1 7 ) 上面各式中采用【p ( t ) 】描述电磁辐射从原点o n r 点的推迟势，而 p ( t ) 】和 【p ( t ) ”】代表推迟势对时间的一次和二次微商。当r 很大时，即再融哆九2 的远 一，。场区域，我们得到如下的简化式：一一，一”- * m 。， - ， e r = 0 ( 1 8 ) 岛= 以= p ( f ) ” s i n o c 2 r ( l 9 ) 考虑近场区域，即r 九2 或者r 1 2 时，式( 1 5 1 7 ) 中的i ，r 2 ，i ，r 3 项 目均要保留，从式中可以看出近场区的电磁场沿r 方向以为i f r 2 ，f r 3 幂次趋于0 ， 在小于波长的距离内就衰减为0 ，这部分场正是近场内的衰逝场。 江苏土学硕士学位论文 图1 6 偶极子辐射场的计算示意图 上面理论研究证明，近场包括两种成份：一种是传导波( p r o p a g a t i n gw a v e ) ， 可从近场区域向远处传播，同时存在于远场区域，这是一种辐射场；另一种是衰 逝波( e v a n e s c e n t w a v e ) ，其特征是“依附”于物体表面，强度随距物体表面距离 的增加按指数规律迅速衰减为零，因而仅存在于近场区域，不能在自由空间传播， 这是一种非辐射场衰逝场，两种成分界限是a b b e 衍射极限凡2 i l ”。 1 3 2 近场分布获取典型方法 近场分布获取通常有三种方法：全反射法，在光疏介质中产生沿着分界面传 播的倏逝波；光照射在小于波长的超分辨率近场结构上，产生辐射场和非辐射场， 如图1 7 ；光通过小孔，产生辐射场和非辐射场( 衰逝场) 。 图1 7 尺度小于波长的小球产生隐失波 9 江苏文学硕士学位论文 图1 8 各种形式的探针 实体近场光学的探针结构多种多样，如图1 8 。大致可分为两大类：一类是屏 蔽型( 有孔) 的探针( s c r e e n e dt i p ) ，在金属良导体薄膜上钻一微小孔径，或者在 拉伸细光纤外镀银、铝等全反射包层，只留尖端通光，作成的探针均属于这一类 型；另一类是非屏蔽型( 无孔) 的探针( u n s c r e e n e d 廿p ) ，不镀包层的拉伸细光纤 作成的微针尖，以及结合了s t m 和a f m 功能的探针，都属于这一类型。每种类 型的探针都由针尖部分，收集光的部分和传输光信号的部分组成。不同的是前者 针尖为一微孔径，后者针尖则可视为一介电微球( 拉细光纤头) 【1 6 】。 1 导光型探针 包括光纤导光型探针、中空金字塔探针、四面体导光探针等。这里主要介绍光 纤导光型探针。 1 ) 光纤导光型探针，即常说的有孔光纤探针，即为从微吸管探针发展而来的 光纤探针。为了近场光源，在早期研究中，曾在一很薄的平面氮化硅板上制作一 系列尺寸相同的纳米级小孔，让光线照射到薄板上透出。但这样的光源仅适用于 完全平整的样品，后来，人们采用玻璃微吸管，通过溅射或蒸发的方法在其外壳 上涂覆有一层能阻挡光纤的金属薄膜，一般将铝涂覆于微吸管外壁。以微吸管为 r 探针的光学分辨率达到5 0 n m t 堋。由于在微吸管中，当光线波长远大于孔径时，透 过光的强度将随着小孔孔径的减小而呈超指数锐减，因为在此区域没有传输模( 这 类似于一个波函数穿过一个经典禁止区时的指数衰减) ，由于内壁的反射和吸收， 光还会进一步损耗。光源的尺寸与强度之间相互对立，这种空心光源通常被称为 被动光源。为了获得更高的分辨能力，半主动光源，即纳米光导纤维探针得到发 展。1 9 9 1 年b e t z i g ，t r a u t m a n 等研制了一种光纤探针，结构如图1 9 。 1 0 江苏太学硕士学位论文 纤芯 图1 9 锥形光纤探针结构示意图 实心的光纤在光的传导方面较空心的玻璃微吸管更为有效，由于同轴波导的原 因，当探头尺寸相同时，光导纤维光源的强度有明显加强，获得比以往设计高4 个量级的关强，具体说尖锐的光纤探针具有以下几个优点： 重复性相当好。 可以产生小于1 2 n m ( 4 0 ) 的分辨率。 可以与不同的光学比较装置连用满足不同样品的使用要求，使之具有广法的 使用性。 信号强度比任何其他类型的相近尺寸的探针大1 0 4 1 0 5 倍，提高了接近实时 跟踪的动力学过程研究和在非常微弱对照下的样品成像的可能性。 2 ) 光纤微探针制各方法主要有两大类，即熔拉法和化学腐蚀法。 熔拉法：一般采用单模光纤通过大功率c 0 2 红外激光器进行加热拉制后，作表 面化学预处理，再经镀膜，涂覆金液，煅烧后形成一层光亮的烧渗金膜。或者镀 上铝膜。其特点是所需时间很短( l m i n ) ，但针尖直径较粗( 约几百纳米) ，包层 和纤芯的直径沿纤轴方向均逐渐变细，一般可认为在整个锥区，包层和纤芯的直 径之比保持恒定。 化学腐蚀法：虹吸动态化学腐蚀法制作锥形复杂的探针尖端。其特点是具有较 小的针尖直径( 可达到凡十纳米) ，但所需时间较长( - 一8 0 m i n ) ，并造成针尖表面 有许多微小的腐蚀坑而引起光的散射损失。结构形态是其包层直径沿z 想逐渐减 小，而纤芯直径基本不变，只在接近锥的尖端时，由于包层已被全部腐蚀掉而使 纤芯遭到腐蚀，芯径才逐渐变小。 两种方法制作光纤探针结构对比，如图1 1 0 所示。 江募文学硕士学位论文 乜屡纤芯 包屡纤芯 o ，熔拉法 属浊法 p u l i e dr o p e r ；* h tu t p e r 图1 1 0 两种方法制备锥形光纤探针结构对比示意图 。 以上两种方法相结合，可即具有很光滑的表面，又具有较小的针尖直径。将熔 拉机上拉制出的光纤锥垂直浸入浓度为4 0 的h f 溶液中进行腐蚀，经过大约 1 - 2 m i n ，取出清洗。通过严格控制不同的腐蚀时间，可得到具有不同针尖的光纤 探针【1 8 】。目前光纤探针已广泛应用于近场扫描显微镜( s n o m ) 。 2 散射探针 散射探针是利用局部等离子激元激发，产生的光场倍增效应，可获得比入射光 场大1 0 0 - 2 0 0 倍的近场增强。也即等离子激元探针。表面等离子场本质上是和细小 物体相关联的，在存在表面等离子激元的金属表面的上方，一个吸附粒子或缺陷 将称为表面等离子体激元的散射体。散射探针可以用各种材料如金属( 如钨) ，电 介质( 如玻璃) ，半导体( 如硅) 甚至聚合物制作，其中以金属的散射最高，因此 金属最合适作无孔探针的材料。可以直接借用现成的原子力显微镜和扫描隧道显 微镜的探针作为光学散射探针使用。 原子力扫描探针a f m 无孔探针，9 4 年3 月k w i c k r a m a s i n g h e 在北约国高级研究院报告了这种方法。 在她的装置中，常规显微镜通过了显微镜盖片将光聚焦到2 n m 半径的实体硅尖上。 由尖端散射回的光与由盖片后表面的反射光位相差为九2 。探测全反射光相对于硅 尖第二个光点的微小相移。考虑最小可探测的位相变化和硅尖的散射光强怎么随尖。，。 端尺寸的减小而降低，w i c k r a m a s i n g h e 预言其技术可得的分辨率可小到0 2 r i m 。到 目前为止，他报告了在盖片上观察到3 n m 的细节，他认为这是折射率的小变化【m 。 无孔探针已用于微细探测和加工中，国外已展开了相关的研究。 2 0 0 0 年，美国加州大学的应用物理系，t j y a n g 等人在应用物理杂志上发表 “a na p e r t u r e l e s sn e a r - f i e l dm i c r o s c o p ef o rf l u o r e s c e n c ei m a g i n g ”。研究利用金属原子力显微 讧苏大学硕士学位论文 探针尖端产生倏逝场进行亚衍射极限的显微成像【1 9 】。 2 0 0 2 年，加州大学，x i a o b oy m 等在应用物理上发表“n e a r - f i e l dt w o p h o t o n n a n o l i t h o g r a p h y u s i n ga n a p e r t u r e l e s s o p t i c a lp r o b e ”，对应用无孔探针进行近场双光子纳平 板印刷技术进行了研究【2 0 】。 2 0 0 3 年，德克萨斯大学，b r e n d aj p o s m i k o v a 等发表“t o w a r d sn a n o s c a l e t h r e e - d i m e n s i o n a lf a b r i c a t i o n u s i n gt w o - p h o t o n i n i t i a t e d p o l y m e r i z a t i o n a n dn e a t - f i e l d e x c i t a t i o n ”，探讨了近场双光子聚合纳米尺度三维制造技术的技术可行性，并进行 了简单结构的加工加以验证【2 l j 。 此外，实体探针还包括同时可作为照明用的局域光源的发光探针，像发光微晶 探针，单原子荧光探针；用光子探测器作为近场光的探光探针。 3 近场虚拟光探针 2 0 0 0 年，法国的g - r o s j e a n 和c o u r j o n 2 2 1 提出了虚拟光探针的概念，利用两束入 射角大于全反射角的平行光束从光密介质入射到光疏介质时，发生全反射，从而 在两种介质的界面上产生隐失场，由于隐失场的干涉，造成了受限制的光场分布。 这种光场分布的半峰全宽( f w h m ) 在一定范围内不随z 的变化儿变化。这种特 性使得虚拟光探针概念可以用于近场扫描显微镜、近场光学存储、纳米光刻、近 场光学成像、光谱探测、纳米样品的近场光学操作等领域。 此外，2 0 0 5 年瑞士n e u c h a t e l 大学微细技术学院的，e m i l i a n od e s c r o v i ，v i n c e n t p a e d e r , l u c i a n av a c c a r oa n dh a n s p e t e r h e r z i g 在美国光学学会的光学嘹望杂志上发 表题为“av i r t u a lo p t i c a lp r o b eb a s e do nl o c a l i z e ds u r f a c ep l a s m o np o l a r i t o n s ”的论 文】，阐述了另外一种基于局域表面偶振子极化s p p ( s u r f a c ep l a s m o mp l o a r i f i o n s ) 的虚拟光学探针。是利用激发金属薄膜结构上表面偶振子极化，来突破光学衍射 极限的基于s p p 的虚拟光探针。并描述其技术在扫描近场显微系统中的应用。 1 4 近场虚拟光探针研究现状 虚拟光探针是最近几年才提出的新概念，国内外对其研究处于起步阶段，从 发表的文章来看，目前主要集中于其在高密度数据存储应用方面的研究。 国内清华大学王佳教授带领的科研团队最早在这一领域展开研究，取得相当显 著的成果，采用f d t d 数值模拟算法和r c m c o m 公司的x f d t d 5 1 软件，分别模 拟了双光束隐失场干涉和四光束隐失场干涉模型的干涉光场分布，实现基于虚拟 光探针的高密度数据存储数值存储，并申请相关专利 2 4 1 。 讧曩大学硕士学位论文 1 5 本课题研究的目的和主要内容 本课题主要是适应微& 纳系统发展要求，寻求突破传统光学衍射极限的工具和 手段，实现亚波长的精密结构特征的探测、加工。并着重对其中的新鲜技术虚拟 光探针技术展开研究。首先建立数学物理模型，运用光学折射、全反射、干涉等 几何光学和光的电磁理论，对其产生机理进行阐述。并根据对其机理的研究和理 想光学系统知识，运用m a u a b 的编程和s i m u l i n k 仿真模块数学工具，进行虚拟光 探针系统的设计。设计完成后利用先进的f i t 数值分析的方法和高效电磁分析软 件c s tm w s 软件数值模拟，对其光场分布从数值给出定量、直观的解。为其在 显微成形、先进光学制造、信息存储、光学测试中的应用研究奠定了理论基础。 论文内容安排如下： 第一章为引言，概述了虚拟光学探针出现的原因及其发展的技术背景。微& 纳 系统的发展提出亚波长探测、加工技术的需求，而现有的光学探测、加工技术， 无论基于光纤探针的s n o m 技术，还是a f m 技术都存在光强度弱，间距控制难 度高的两大技术瓶颈，而虚拟光探针却没有上述两大致命缺陷。接着阐述其技术 背景近场光学理论，介绍课题的研究意义和任务以及主要内容。 第二章主要对虚拟光探针的结构和基本机理进行的介绍。建立数学物理模型， 将其分为显微聚焦和全反射隐失波稳定干涉形成虚拟光探针两级子系统。运用光 学折射、全反射、干涉等几何光学和光的电磁理论，对其突破光学衍射极限的机 理进行阐述。 第三章主要是进行虚拟光探针的设计。依据对其机理的研究和理想光学系统 知识，运用m a t l a b 的编程和s i m u l i n k 仿真模块数学工具进行透镜等光学元件参数， 以及元件位置参数的设计。 第四章主要介绍近场光学理论和分析计算方法及其优缺点。为分析软件的选 取即后续数值分析做准备。着重介绍了c s t 公司的大型电磁场仿真软件m w s 和 其理论基础有限积分法( f i m ) ，m w s 软件采用麦克斯韦网格方程( m g e ) 将麦克斯韦积分方程转换为矩阵方程而且没有经过任何近似。在计算过程中采用 电磁场矢量在网格单元的积分量进行运算，从而将麦克斯韦方程的离散误差降到 最低。其应用很广，可以在三维和二维空间对频域和时域问题求解，在后处理过 程中可以对场矢量、场能量，损耗密度、麦克斯韦力、远场辐射等多方面的问题进 行处理。 1 4 讧募太学硕士学位论文 第五章主要采用c s tm w s 软件对虚拟光学探针光场分布进行模拟。采用缩 放技术，通过建立第一显微透镜聚焦系统缩小尺寸分析模型，将第一级和第二级 作为一个整体来分析，这是前人未曾尝试的。相较清华用双光束和四光束替代透 镜聚焦产生的光束，避免了对聚焦光束所作的近似和假设。介绍具体模拟过程， 主要包括3 d 几何建模、求解器的设置，并给出相关数值模拟结果。 第六章主要对第五章的模拟结果进行分析，并根据古斯哈恩斯位移的理论， 分析了旁瓣的机理，即第二干涉峰产生旁瓣。同时发现边缘增强效应产生的较强 的隐失波，也可能会破坏光场分布。根据机理分析，寻求到了抑制旁瓣的有效措 施，对相关参数进行优化，并通过数值模拟进行了验证， 最后，探索展望了虚拟光学探针在显微成形、先进光学制造、信息存储、光 学测试中的应用和发展前景。 江募土学硕士学位论文 第二章虚拟光学探针技术 2 1 虚拟光学探