Экспериментальная установка для лазерной вытяжки нанозондов с обратной связью

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ВЫТЯЖКИ НАНОЗОНДОВ В. П. Вейко, В. З. Зыонг, Е.Б. Яковлев
В работе проведены характеристики ближнепольных оптических зондов (БОЗ), полученных разными методами изготовления. Описана экспериментальная установка с обратной связью для лазерной вытяжки зондов. Приведены результаты экспериментов.
Введение
Ближнепольная оптическая микроскопия (БОМ) является новым направлением в области сверхлокальных исследований. Основываясь на принципах ближнего поля, БОМ позволяет повысить разрешение до 30 нм, т. е. преодолеть дифракционный предел Аббе в оптических приборах. Кроме этого, БОМ дает возможность получать не только оптическое, но и топографическое изображение объекта, что увеличивает надежность полученной информации [1, 2].
Основным элементом БОМ является ближнепольный оптический зонд (БОЗ), который определяет разрешение БОМ. Зонд должен иметь размер выходной апертуры порядка нескольких десятков нанометров, эффективно подводить световую энергию к выходной апертуре зонда, обладать высокой лучевой стойкостью, а геометрическая форма острия должна позволять приближать его к любой точке поверхности образца на нужное расстояние.
БОЗ бывают разных видов. Одним из распространенных является БОЗ на основе оптического волокна. Технология изготовления БОЗ из оптического волокна состоит в том, что на одном из концов волокна изготавливают острие, диаметр вершины которого составляет нескольких десятков нанометров. Затем на вершине острия формируют диафрагму путем напыления на стенки острия тонкой металлической пленки толщиной
около 10−30 нм- пленка обеспечивает также эффективную передачу излучения по зонду.
Между размером апертуры, который определяет разрешение микроскопа, и коэффициентом пропускания света имеет место компромисс.
Существует два метода изготовления БОЗ — химическое травление и механическая вытяжка.
А) Б) В)
Рис 1. БОЗ из оптического волокна диаметром 125 мкм, изготовленные разыми методами: А) — химическим травлением. Б) — механической вытяжкой с резистивным источником нагрева. В) — лазерной вытяжкой.
БОЗ, изготовленные химическим травлением. При химическом травлении зонд изготовляют следующим образом. Очищенный от защитного слоя конец оптического волокна погружают в раствор, состоящий из смеси НБ, КН4Б и Н20, которая является травителем для кварца, и жидкости с меньшей плотностью, например, толуола. Толуол располагается поверх травителя и служит для формирования мениска смачивания на границе толуол — травитель — волокно. По мере травления толщина волокна уменьшается, что приводит к уменьшению высоты мениска. В результате в процессе травления
на конце волокна происходит формирование конусообразного острия с характерными размерами меньше 100 нм [2].
При изготовлении зонда химическим травлением сердцевина волокна доходит до самого кончика зонда, поэтому зонд имеет большой коэффициент пропускания света. Но основной проблемой получения БОЗ методом химического травления является чувствительность формы острия к изменениям параметров окружающей среды в процессе травления, таким как вибрации, температурный дрейф и т. д. Изменение этих параметров проводят к значительным шероховатостям на поверхности зонда. Эта шероховатость и асимметрия вершины острия приводят к появлению отверстий в алюминиевом покрытии острия, что сказывается на качестве и размерах оптической апертуры.
БОЗ, тянутые из волокна. При этом методе БОЗ изготавливают из оптических волокон, которые вытягиваются при локальном нагревании участка волокна до вязко-текучего состояния маленького участка волокон. В качестве теплового источника для локального нагрева могут быть использованы газоразрядный или резистивный источники, а также лазерное излучение.
Лазерная технология вытяжки БОЗ в последнее время является перспективным методом изготовления БОЗ благодаря следующим преимуществам:
• локальность лазерного излучения-
• высокая степень поглощения излучения СО2 лазера (X = 10,6 мкм) кварцем-
• быстрое включение и выключение теплового источника-
• химическая чистота, простота процесса.
Вытянутые зонды имеют высокое разрешение. Более того, поверхность вершины наконечника вытянутых зондов — оптически гладкая. Поэтому они предпочтительны для измерений в поляризованном свете.
Как показывают эксперименты, форма острия (его длина и конусность) сильно влияет на эффективность подвода излучения к выходной апертуре. Следовательно, определение предпочтительных геометрических параметров БОЗ очень важно при разработке технологии их изготовления. Это позволяет существенно улучшить их оптические и механические свойства.
Разумно предположить, что зонд необходимо сделать плавно сужающимся для уменьшения отражения и лучшей локализации световой волны, чтобы уменьшить потери на его стенках. Оптимальным углом конусности зонда считается угол, а ~200. Следовательно, эффективная длина острия, изготовленного из волокна диаметром 125 мкм, не должна превышать L=500 мкм.
Зонды, изготовленные с использованием газоразрядного или резистивного источника, обычно имеют длинную сужающую часть и маленький угол конусности из-за большого размера зоны нагрева. Лазерный метод вытяжки зонда может устранить эти недостатки.
Экспериментальная установка для лазерной вытяжки зондов из оптических волокон
При лазерной вытяжке зондов на параметры зонда влияют, главным образом, мощность излучения и сила растяжения. Экспериментальные результаты показали линейную зависимость удлинения полученных зондов от мощности лазерного излучения при одинаковой силе растяжения (рис 2). Однако при большой мощности форма зонда переходит от игольчатой к нитевидной, что уменьшает эффективность передачи светового сигнала. С целью повышения коэффициента пропускания света предлагается два способа контроля удлинения зондов:
• отключение лазерного излучения при определенном удлинении-
• увеличение скорости растяжения путем включения электромагнита при определенном удлинении.
Рис 2. Зависимость удлинения зонда от мощности лазерного излучения при постоянной растягивающей силе
Рис. 3. Изменение формы зонда при увеличении мощности лазерного излучения
Схема экспериментальной установки с контролем удлинения представлена на рис. 4. Излучение СО2 лазера попадает на конический элемент и преобразуется в кольцо. Затем излучение направляется на тороидальное зеркало, которое фокусирует его на образец (оптическое волокно) под прямым углом для получения двух идентичных зондов по обе стороны, что повышает производительность процесса вытяжки. Угол конического элемента соответствует расчетным параметрам тороидального зеркала, чтобы лазерное излучение фокусировалось на волокно под прямым углом [3].
Оптическое волокно (образец) крепится в суппортах, к которым прикладывается сила растяжения. При поглощении лазерного излучения участок волокна нагревается и переходит в вязкотекучее состояние. Под воздействием силы растяжения этот участок сужается с последующим обрывом. В результате получаются два симметричных острия. Процесс вытяжки длится нескольких десятых секунды.
В экспериментальной установке для контроля удлинения зондов использован электрический контакт (см. рис. 4). Контакт имеет клинообразный вид. Его устанавливают на некотором контролируемом расстоянии (обычно от 50 до 200 мкм) от суппорта. После того, как суппорты раздвигаются на это расстояние, контакт включает электромагнитный затвор, который перекрывает излучение. Процесс растяжения продолжается без лазерного излучения.
На рис. 5 показаны зонды, полученные при различных значениях контролируемого удлинения. Экспериментальные результаты показывают, что при значении контролируемого удлинения от 50 до 100 мкм полученные зонды плавно сужаются и имеют более короткие конусы.
Рис. 4. Схема экспериментальной установки лазерной вытяжки зондов с контролем удлинения с помощью электромагнитного затвора
360 мкм А)
270 мкм Б)
280 мкм В)
280 мкм
Г)
Рис. 5. Зонды, полученные при разных значениях контролируемого удлинения: А) — нет контроля, Б) — 50 мкм, Д) — 100 мкм, Г) — 150 мкм. Сила растяжения 5 Н, мощность лазерного излучении 8 Вт
Я
Рис. 6. Схема экспериментальной установки лазерной вытяжки зондов с контролем
удлинения с помощью электромагнита
310 мкм
270 мкм
А)
Б)
Рис. 7. Зонды, полученные на установке с электромагнитом. А) — без контроля удлинения. Б) — с контролем удлинения на 100 мкм. Мощность лазерного излучения 8 Вт
Другой способ контроля удлинения зонда схематически показан на рис. 6. При этом способе вытяжка сначала идет под действием силы тяжести сердечника электромагнита (элемент 1 на рис. 6). Аналогично предыдущей схеме, клиновидный контакт установлен на контролируемом расстоянии. После того, как суппорты раздвигаются на это расстояние, контакт включает электромагнит, который сразу разрывает волокно. Полученные на этой установке зонды показаны на рис. 7. При контроле удлинения зонд плавно сужается и имеет более короткую сужающуюся часть.
В работе рассмотрены характеристики зондов, полученных различными методами. Сформулированы основные требования к зондам. Описана экспериментальная установка для лазерной вытяжки зондов контролем по удлинению. Показано влияние режимов на параметры зондов.
1. Либенсон М. Н. Преодоление дифракционного предела в физике. // Сороссовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 3. С. 99−104.
2. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: РАН Институт физики микроструктур, 2004.
3. K.A. Atlasov, V.P. Veiko, A.I. Kalachev. Technology Optimization of the Laser -Assisted SNOM — Tips Stretching. //. Proceedings of SPIE. 2003. V. 5399. Р. 63−68.
Заключение
Литература

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой