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近场扫描光学显微镜(NSOM)测量
神科仪购网/SNKOO-eGo / 2019-04-01

本文介一种基于孔径近场扫描光学本征制的相位映射方法。对纳米硅波导进行了相位映射,并通傅立叶分析得到了不同的播模式。系统基于全光纤干涉仪引入了了一个包含代表信号相位和振幅的信息的信号。该方法结构紧凑,成本效益高,对准自由,镜头噪声有限,不需要外部调制器。该系统可以相对容易地集成到现有的NSOM装置中,作为各种纳米光子结构的表征工具。

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图 1 NSOM探针调制干涉仪的实验装置。

BS:光束分离器,DUT:被测器件,PD:光电探测器,LIA :锁定放大器

实验装置如图1所示。二极管激光器发出的1550 nm波长的TE(平面内)偏振光由90/10偏振保持(PM)光纤分束器(BS)分束,其中大部分光通过PM透镜光纤发送到作为被测器件的硅波导(WG)。金属涂层的NSOM探头(尖端在250-300纳米之间变化,该孔径大小决定了系统的分辨率)与被测器件接近,并通过商用NSOM系统(Nanonics Multiview 4000)中的分接反馈机制与被测器件表面保持接触。光由NSOM探头收集。通过50/50 BS与参考臂结合后由INGAAS光检测器(PD,Thorlabs DET01CFC)检测。NSOM探针调制频率为40kHz。在正交(Y)或相位(X)模式下,使用标准检测器和锁定放大器(LIA,SR-830),可以检测和解调此类相对低频分量。

实验过程中,为了避免温度或者机械不稳定性引起的相位漂移,需要将干涉仪臂的光路设置为相等的长度,以便不受热机械和频率漂移的影响。同时,使用台式振动隔离平台和隔音罩对系统进行热机械绝缘。

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图 2机械调制转换为探测电场振幅调制的示意图。

为了计算LIA产生的信号,假设探针的机械调制转换为探测光的振幅调制,同时与沿硅波导传播的消逝场相互作用,过程示意图如图2所示。其中连接到NSOM探头的音叉与硅波导接触。耦合到探针的电场与硅波导的消逝场成正比,硅波导的衰减特征长度为d,硅波导表面振幅为e0。

图2中的白色图为该消逝场的图形表示。尖头在音叉和尖头组件(探针)的本征频率(ωprobe)下振荡,振荡幅度为h。因此,尖头位置可以描述为z=z0+hcos(ωprobet),其中 z0是探针的平均位置。图2所示的红色正弦波显示了合成调制场,其频率为(ωprobe),振幅对应于图中所示的两点z1和z2

光电探测器处的强度与该信号臂的绝对平方值成比例,与具有幅度b和恒定相位0的参考臂相加,得到以下表达式:

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其中,我们将a定义为探针场在z0处的振幅,ω为载波频率,以及φ(x,y)为探针臂在装置平面上累积的相位。将方程扩展为第一类修正贝塞尔函数,可将ωprobe的傅立叶分量写成a的一阶:

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通过对信号的傅立叶分析可以得到有效的折射率。

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图 3

对一个横截面尺寸为450纳米宽和240纳米高的硅波导进行测量。图3a给出了硅波导的横截面扫描电子显微照片(SEM)。测量得到的叠加近场扫描相位(Phase NSOM,PNSOM)信号以及1550nm激发波长的PNSOM信号分别如图3b和3c所示。图3d显示了图3c中相位图像的横截面,图3e显示了图3d中横截面通过快速傅立叶变换(fft)后获得的沿传播方向的信号空间光谱。结果清楚地表明了有效指数为2.37±0.1的主导模式(误差是根据谱域中的峰宽度估计的)。此外,还有一个振幅较小的峰,有效指数为1.70±0.1。这些实验值与数值电磁模拟结果(用Comsol多物理方法获得)非常吻合,后者对应于折射率为1.68的类TM模式和折射率为2.33的类TE模式。实验中TM模式的存在可以通过波导中的TE/TM转换来解释,因为实验中存在制造缺陷和弯曲部分。

接下来,我们将演示locos硅波导的相位特性。顶部的横截面尺寸为450纳米宽,高度为250纳米。硅波导由硅芯组成,硅芯的侧壁和底部都有硅包层,如图4a所示,其中展示了locos硅波导的横截面扫描电镜图像。基于扫描电镜图像得到的尺寸,进行了有限元特征模模拟(COMSOL)。基本硅波导模式的基本场分布叠加在图4a中的扫描电镜图像上。这种基本TE型模式的有效指数为2.54。通过这些模拟,发现结构也支持第二类TM模式,有效指数为1.85。图4d显示了图4c中相位图像的横截面,图4e显示了图4d中横截面通过快速傅立叶变换(fft)后获得的沿传播方向的信号空间光谱。

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图 4

得到了与有效指数2.45±0.1相对应的明显傅立叶分量。该值与文献中报告的模拟值2.54非常接近。此外,在图4b中可以看到两个较小的傅立叶分量。这两个分量对应于二氧化硅的有效指数和前面提到的第二类TM模式。

 

来自<Near field phase mapping exploiting intrinsic oscillations of aperture NSOM probe >


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