激光切割加工光線的分辨極限

發布者:激光切割加工|凱利特  時間:2020-2-26 11:47:29

       探測近場光學信號的想法最早產生于1928年,但直到20世紀80年代,激光切割加工的發明才真正實現了利用光纖探針探測束縛在物體表面非輻射場的實驗。普通光學成像的分辨率由于受到衍射極限的限制,理論上不能超過入射光波長的1/2,在可見光范圍內,這一值約為200m。當入射光通過一個直徑小于波長的小孔時,樣品上只有相當于小孔直徑的范圍被照射此時掃描成像的分辨率將取決于探針的最小尖端的直徑及探針和樣品之間的間距。近場光學的本質是探測由物體衍射產生的攜帶低于約2/空間頻率的傳導分量和攜帶高于約2/空間頻率的非輻射分量,即隱失場(EvanescentField)分量。而隱失場的有效范圍僅限于以以下,所以當使用納米尺度的探針在樣品表面掃描時,理論上可以將衍射場的非輻射分量記錄下來并轉換為傳導分量,從而極大地拓寬了系統的頻帶,因此可以獲得超高分辨率SNOM正是應用了近場光學原理突破了光學衍射分辨極限,實現了在介觀和納米尺度的樣品表面收集近場光學信息。同時,SNOM是掃描探針顯微鏡(ScanningProbeMicroscope,SPM)家族中的重要成員之一,和其他SPM相同,SNOM由探針、激光切割加工信號采集和處理、探針一樣品間距反饋控制、X-Y掃描,以及圖像處理這幾部分組成如何精確控制探針和樣品間距是SNOM實現超衍射分辨本領的核心問題之一,目前以激光光點反饋模式和剪切力反饋模式為主要的實現方式。

激光切割加工

        激光光點反饋模式采用的是傳統原子力顯微術(AtomForceMicroscopy,AFM)所使用的光點反饋系統,兩者的區別在于SNOM利用的是微懸臂鍍膜光纖探針而非金屬鎢絲探針,當探針接近樣品表面的時候,由四象限探測器接收參考激光在微懸臂探針上產生的反射光斑,由此確定探針和樣品之間的距離并進行反饋。剪切力反饋模式是指:當以本征頻率激振的探針靠近樣品表面時(z<50mm),由于激振的針尖和樣品間相互作用力的存在,其振蕩幅度及相位均會發生較大變化,由此可將探針樣品間距控制在5~20m范圍內。剪切力反饋模式無需參考激光的介人,是一種非光學的距離調控方法,從而使得到的光學成像圖更具有真實性。而對于激光切割加工和樣品之間剪切力作用機制的研究,有學者則通過利用不同濕度及不同阻尼介質環境下測量的音叉微電流和探針一樣品間距(1d曲線證明,由于毛細凝聚作用,探針和樣品間耦合的水合碳氫化合物分子所形成的黏滯阻尼是導致探針和樣品間剪切力作用的主要原因基于全內反射式的SNOM又稱光子隧道掃描顯微鏡(PhotonScanningunnelingMicroscope,PSTM),是另一種應用近場光學原理的具有超衍射極限分辨能力的光學顯微鏡其利用未鍍膜的光纖探針代替傳統SNOM小孔徑鍍膜光纖探針。當針尖無限接近樣品表面時,直接利用裸光纖探針接收近場光信號,其分辨能力主要由裸光纖尖端中央點的面積決定,理論上比利用鍍膜光纖的小孔徑SNOM的分辨率要高幾十倍。
        但由于近場光學信息是入射激光入射角的函數,樣品表面不平相當于入射角度的變化,會引人人為的假象;并且由于樣品形貌像和光學像混在一起,圖像的解釋遇到了困難。隨著各種近場光學顯微鏡的不斷研發和完善,包括樣品和針尖距離精確控制技術的探索及快速掃描技術的發展,以及與其他成像技術的結合,近場光學顯微技術必將在亞波長和納米材料領域迎來更廣泛的應用。表面等離激元(SPPs)作為金屬表面的一種元激發在本質上和近場光學相似,都與高頻電磁場的激發和傳播有關。SPPs和光子耦合,以及由此產生的系列特殊光學效應已經成為目前研究的熱點。Raether對光滑和粗糙表面產生的SPPs做了一系列早期的研究Kno則比較完整地總結介紹了20世紀90年代有關SPPs的理論和實驗,并且指出雖然SPPs可以產生于任何金屬的表面,但是由具有微納結構的金屬表面所激發的SPPs具有更好的共振增強特性。Kretschmann、Raether和Oto是最早在實驗中觀測到SPPs的科學家,而Fischer和Poh則首次將表面等離激元共振(SurfacePlasmonResonant,SPR)技術應用于近場光學顯微領域。
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