扫描近场光学显微镜探针与光场相互作用的分析

采用时域有限差分方法对镀金属膜光纤探针在近场光探测中对光场产生的扰动和相互作用过程进行了数值分析。选择纳米孔径的隐失场光场和镀金属膜光纤探针建立了近场光探测的理论模型,讨论了探针孔径尺寸、扫描高度等因素对光场探测的影响,以及测量光场与初始光场之间的关系等。研究结果表明,当探针孔径尺寸与待测纳米孔径尺寸相当,探针扫描高度在接近探针孔径尺寸的一半时,测量得到的光场分布数据能够准确描述初始光场分布。     

影响近场光纤探针传输效率的若干因素

近场光学技术在高分辨率成像、光谱探测和纳米加工等领域有广泛应用,而光纤探针是其中一个关键部件.如何提高光纤探针的传输效率是近场光学技术应用中的一个重要问题.本文采用三维时域有限差分方法,计算了锥形有孔探针的传输效率,分析了锥角、针尖孔径、波长和金属层厚度等因素对光纤探针传输效率的影响,并比较了裸光纤探针和有金属涂层的光...     

近场光学虚拟光探针的数值分析

虚拟光探针是基于近场光学隐失场干涉原理产生的一种非实体探针，可以应用于近场光学超高密度存储、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。本研究采用三维时间域有限差分（FDTD）方法对近场光学虚拟光探针的光场分布特性进行了数值模拟计算和比较，分析了孔的形状、大小及偏振态等因素对虚拟光探针光场分布的影响，研究结果表明虚拟光探针的通光效率较普通的纳米孔径光纤探针提高10^2-10^4倍；其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，从而可以解决近场光学系统中纳米间距控制的难题，避免光学头与介质的磁撞。优化虚拟光探针的设计参量能有效的抑制虚拟光探针中的旁瓣。文章还给出了应用虚拟探针实现高密度光存储的原理方案。     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同...     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同尺寸的微粒具有不同的捕获效果,且随初始位置的不同微粒的捕获位置亦不同.计算结果为激光近场光镊纳米操作装置的设计和制造提供了理论基础.     

金属覆层光纤探针近场特性研究

采用有限积分法对用于近场光学显微镜的旋转对称光纤探针进行了数值模拟计算,研究了光纤探针开口附近亚波长范围的电磁场及其能量密度的分布.计算结果表明,在探针外,光场为沿探针轴线方向的近逝波,其空间光场的分布与激励光场及其极化方向有关,在激励光场的极化方向出现了由感应电荷引起的边缘增强效应.同时研究了近场光纤探针的空间分辨率和样品处的电磁场能量,结果表明光纤探针孔的尺寸及其与样品的作用距离是影响探针的分辨率和样品内电磁场能量的重要因素.     

带金属尖四棱锥小孔光探针光斑近场分布数值模拟

采用时域有限差分法(FDTD)研究了带金属尖四棱锥小孔光探针光斑近场分布特性,分析了金属尖的长度、尖端半径及距离小孔位置等因素对近场电场分布的影响.讨论了该类光探针的电磁波通过等离子体激元方式从小孔传输到金属尖的机理.Taminiau等人用不同方法获得的计算结果在本文的计算结果中得到了印证.在此基础上,本文重点分析、讨论了Pohl等人在1984—1986年获得20—25nm高分辨率图像的原由,讨论了该实验系统的成像机理和类型的归属.计算结果表明:Pohl等人的实验系统成像机理已离开小孔径扫描近场光学显微镜类型,报告认为应归属金属尖散射扫描近场光学显微镜一类.本结果对设计性能优良的光探针具有参考意义.     

用数值方法分析微孔激光器出射光的近场特性

微孔激光器作为应用于近场光信息存储系统中的一种新型光源，它的出射光斑的近场特性对于近场光存储是十分重要的。针对纳米孔径运用角谱进行Fox-Li数值迭代，得到不同孔径微孔激光器的基模光强分布，然后运用二维非线性时域有限差分法分析微孔激光器出射端即微孔金属膜的近场光学性质，模拟计算了不同孔径和厚度的微孔金属膜的光强近场分布，从应用于近场光存储的角度，给出反映其近场光学特性的相关数据。发现由于TM模式下金属存在局域表面等离子增强效应，使得其出射强度比TE模式高一个数量级，从而更适于作为实际中近场光存储系统和原理试验的光学头。     

PSTM成像的FDTD数值模拟

尝试用时域有限差分法(FDTD)分析采用不同探针时光子扫描隧道显微镜(PSTM)成像的分辨率和效率。对四种探针,即不镀膜,带菱形金尖,镀金膜有孔径,镀金膜无孔径的探针,用二维p极化波,满足全反射条件,并用样品台上方平行于界面的隐失波作为等效入射波源,用探针距离尖顶一定高度截面的玻印亭矢量计算散射场强。数值模拟结果表明,带纳米尺度金尖的探针具有最好成像的分辨率和效率,镀膜无孔径和镀膜孔径探针次之,不镀膜探针最差。     

数值分析在不同偏振时复杂样品的近场强度分布

采用三维时域有限差分法(FDTD),模拟计算了光子扫描隧道显微镜(PSTM)系统中的介质和银质金属样品在不同偏振模式光源下的近场强度分布。使用介质小样品检验探针性能,在探针不同位置计算得到了相似的近场强度分布图,说明编写的程序是可信的。给出了等高扫描时p偏振和s偏振条件下,“PSTM”字样介质样品和银质金属样品上方5nm处的近场强度分布图,结果显示:对介质样品,p偏振波能较好的反映样品的形貌,这是由入射电场的方向决定的;银质金属有表面增强作用,对不同偏振波均能在某种程度上反映样品的形貌,仍有待近一步的研究。     

Analysis of Trapping Force and Torque for Fiber-optical Trap by the Finite-differential Time-domain (FDTD) Method

In this paper,the FDTD method is used to calculate the light field distribution in an uncoated fiber probe with a small dielectric particle.By integrating Maxwell′s stress tensor in the FDTD calculation,the time-averaged force exerted on the dielectric particles with different sizes and at different positions is obtained.The calculation results are also verified experimentally.The force near the axis in the vicinity of the tip is about 10-14 N for the incident 10 mW laser of 980 nm.Furthermore,the torque exerting on an ellipsoidal dielectric particle by focusing light field with two fiber probes is calculated and the dependence of this torque on both the declination angle of the ellipsoidal particle and the incident laser power ratio of the two probes is obtained.The detailed intensity map within the particle is also given.     

Analysis of Trapping Force and Torque for Fiber-optical Trap by the Finite-differential Time-domain (FDTD) Method

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　ＳｉｎｃｅＡｓｈｋｉｎｅｔａｌ.[1] ｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｔｒａｐｐｉｎｇｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｓｂｙａｓｉｎｇｌｅ ｂｅａｍｇｒａｄｉｅｎｔｆｏｒｃｅｔｒａｐ ,ｏｐｔｉｃａｌｔｗｅｅｚｅｒｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｏｕｓｅｄｔｈｅｉｎｔｅｒｅｓｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ,ｈｏｗｅｖｅｒｔｈｅｉｒａｔｔｅｎｔｉｏｎｗａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｏｎｈｉｇｈＮＡｍｉｃｒｏｌｅｎｓｔｗｅｅｚｅｒｓ.Ｏｐｔｉｃａｌｔｒａｐｐｉｎｇｔｅｃｈｎ…     

基于人工表面等离激元探针实现太赫兹波的紧聚焦和场增强

为提高太赫兹近场显微成像技术的分辨率,设计了一款在Teflon探针的尖锥形表面镀上厚度渐变、具有相同占空比的超薄金属银制条带的探针,用于实现探针尖端处人工表面等离激元的激发和太赫兹波的亚波长聚焦.研究表明,对于频率为0.1 THz的入射波,厚度渐变镀银条带探针产生的紧聚焦光场的尺寸可稳定在20μm左右(λ/150),探针尖端处最大电场强度为入射电场强度的849倍.研究还发现,周期性金属条带的数目和入射电场的偏振方向可对探针尖端处产生的紧聚焦光斑的尺寸和电场强度等进行灵活有效的调控.     

Transmission of an obliquely incident beam of light through small apertures in a metal film

We recently found that the intensity of the electric near field of a triangular aperture in a metal film is strongly localized at one edge of the aperture for incident light polarized perpendicular to this edge. Previous numerical calculations of the near field of a triangular aperture in a planar metal film, using the field susceptibility technique, yielded a nearly quantitative agreement with the experiments. Using this numerical technique, we have investigated the influence of an obliquely incident plane wave on the near field of small circular and triangular apertures. An interpretation of the numerical results leads to a deeper understanding of the way in which light transmission through the aperture is excited. The data suggest that after excitation of currents in the metal film by the incident light, a scattering of these currents by the aperture generates the near field of the aperture. We found that the excitation of small apertures (size <100 nm) is due to a tangential magnetic field whereas the perpendicular electric field plays no role. The excitation of a small aperture can thus be described exclusively by a magnetic polarizability. We found that for thin metal films an interference of the scattered field with the field transmitted through the metal film changes the near field pattern. PACS 41.20.-q; 42.79.Ag; 68.37.Uv; 78.67.-n     

入射光的偏振特性对反射式近场光学显微镜成像结果的影响

用偶极子-自洽场理论模拟计算了反射式近场光学扫描显微镜中入射光的偏振特性对近场成像结果的影响(包括系统分辨率和相关的成像特性)，并给予了相应的分析和解释。分析计算结果表明，入射光偏振性的选择将影响近场光学显微镜的成像质量。在近场区域，用垂直于样品表面偏振的入射光(即x方向偏振)照明成像将得到优于相应水平偏振(即x方向偏振)的入射光照明的系统分辨率。用x方向偏振的入射光照明时，所得光学图像会发生局部的光强对比度反转。     

Switching between the Functions of Half-Wave Plate and Quarter-Wave Plate Simply by Using a Vanadium Dioxide Film in a Terahertz Metamaterial

We propose a switchable THz metamaterial that can be switched between two functions of half-wave plate and quarter-wave plate.The two switchable functions can be simply achieved by inserting a VO_2 film in the metamaterial design.Finite-difference time-domain(FDTD) simulation results show that the proposed metamaterial can convert x-polarized incident wave to y-polarized reflected wave when VO_2 is at metal phase,and convert x-polarized wave to circularly polarized wave when VO_2 is at insulator phase.The metamaterial performs well in the two functions,i.e.,the same broad working frequency band and near perfect polarization conversion.The switching effect originates from the switchable Fabry-Perot cavity length induced by the phase change of VO_2.We believe that our findings provide a reference in designing switchable metamaterials.     

光子扫描隧道显微镜球形样品二维近场强度分析

采用时域有限差分方法计算全内反射和光子扫描隧道显微镜系统。光子扫描隧道显微镜的基本工作原理是隐失波的产生和探测，当入射光在两种介质的分界面上发生全内反射，并在界面处产生非辐射的电磁波——隐失波时，采取对两界面入射光进行分别设置的方法即“三波法”设置入射激励元。分别计算一个球和两个球形样品的近场分布，并计算散射小球为探针，一个球为样品的扫描图像。结果表明：采用二维时域有限差分方法计算能较直观地显示样品表面的近场分布。表明时域有限差分方法在光子扫描隧道显微镜理论研究中具有很大潜力。