镀纳米结构薄膜光纤探针的光子隧道扫描显微镜成像数值模拟

　　1　引　言

　　光子隧道显微镜(PSTM)是一种新近发展起来的能够突破传统光学显微镜分辨率极限的高分辨光学显微镜,适用于透光样品,且对观察样品不造成损伤,所以在透光材料、医学、生物领域具有诸多应用[1]。探针作为光子隧道扫描显微镜的关键部件之一,对获取较真实的样品形貌图形和较高的接收效率具有十分重要的作用。T Kalkbrenner[2]等人制备出了带金属颗粒光纤探针的近场光学显微镜,这种光纤探针的工作原理在于,它不是把探针看作用于接收来自样品的散射场,而是把探针看作受入射场激励的次级源,这个次级源即可在几十纳米的范围内产生增强的局域场,同时也可在光纤远端产生很强的本底接收场强,在样品靠近时即影响该局域场,同时也会使光纤远端接收场强产生变化,形成样品扫描图像。仅在几十纳米范围的局域场增强倍数很大,样品引起场强的变化具有几十纳米的分辨率和具有比裸光纤探针高得多的灵敏度。简国树等人[3]在2005年对这种带金颗粒的光纤探针进行了数值模拟。但在探针尖端上镀金属纳米颗粒在制备过程中的困难程度以及在探测过程中容易脱落的缺点降低了它的可行性,而且裸金属纳米颗粒只有以胶体状态存在才比较稳定[4],所以这就同样限制了它的应用。

　　本文提出一种新型的光纤探针,即在裸光纤探针外镀纳米结构薄膜。这里采用的纳米结构薄膜是将纳米银颗粒镶嵌于SiO2基体中。李戈扬等人[5]给出了这种纳米结构薄膜的制备方法和控制参数。通过在镀膜过程中的工艺控制,使得探针尖端正好出现一个纳米颗粒,从而既能获得金属颗粒光纤探针的诸多优点,同时也有效地弥补了前面所提到的易损、不稳定和难制备的缺陷。本文利用时域有限差分方法[6,7](FDTD)对此探针的成像进行了数值模拟,讨论了尖端纳米颗粒的高度、尖端纳米颗粒的位置形状以及膜中颗粒间距对结果的影响,从而为制备这种光纤探针提供了理论支持。

　　2　物理模型与基本参数的设定

　　光子隧道扫描显微镜的数值模拟物理模型如图1所示。入射波采用等效入射波法[8],将截面上方的隐失波作为等效入射波激励样品和探针尖,探针尖在样品上方做等高扫描,从而获得样品的形貌和光学信息。模拟过程中用p极化波照射,入射角θ=60°,入射波波长为633nm,玻璃纤芯、样品和SiO2薄膜的介电常数均为1.5,银的介电常数为-17.5+0.7[9]。探针尖端到离尖端100nm处为圆锥形,且探针尖锥角为90°,而在100nm以上是直径为210nm的圆柱形,网格为7.5nm×7.5nm×7.5nm。介质部分采用非色散介质时域有限差分格式,金属部分采用Drude模型的“递归卷积法”[10]。利用了色散介质的时域有限差分格式。测试离尖端高度为800nm处的玻印亭矢量S =│E×H│,并给出了对比度的图像结果。经模拟测试距离光纤尖800nm的截面上形成的稳定传输波,在此截面上计算玻印亭矢量(S = E×H),以此作为光子隧道扫面显微镜的扫描图像。