照明模式SNOM中样品对近场光场分布的影响

　　0　引言

　　SNOM突破了传统光学显微镜分辨率的衍射极限,在过去几十年中得到飞速发展[1,2].在SNOM中,一个具有亚波长结构的光探针在样品表面扫描,可以获得样品表面超高分辨率的形貌和光学特性衬度信息.SNOM可以分成两大类结构形式:收集模式SNOM和照明模式SNOM[3,4].在照明模式中,光探针作为样品的照明光源,使用它尖端近场区的消逝波来照明样品从而激发远场收集信号;而在收集模式SNOM中,样品被远场区的照明光源照明,探针则作为探测元件,在样品表面的近场区收集样品表面的由远场波激发的消逝波.SNOM在两种工作模式下都可以获得超衍射极限的高分辨率,主要是由于SNOM的极限分辨率不是受到光学系统成像的衍射限制,而是由探针尖端开口大小决定.

　　在SNOM应用中,探针与样品之间的近场光场的分布主要决定了SNOM的性能,该近场光场的分布不但与探针的结构及入射光波的偏振性质有关,而且还受到样品的形貌和光学性质影响.许多实验工作表明,样品的形貌及介电常量都影响了近场分布[5,6].样品特性对近场的影响理论及数值研究也有报道.有人对具有形貌结构样品的近场光场的分布进行了数值分析,在忽略探针作用的情况下,研究了光子扫描隧道显微镜(PSTM)或收集模式SNOM的成像问题[7,8].对于照明模式,有人使用一个在外电流驱动下的矩形金属结构,来模拟二维探针,研究了样品材料的光学参量对于SNOM扫描像的关系[9].

　　在以前的工作中,已经建立了照明模式SNOM的数学计算模型,并使用有限积分法数值计算了一个圆形光探针孔附近的近场分布[10,11].本文则使用基于格林函数法编写的计算程序,在比较接近实际的照明模式SNOM的二维模型中,从两个方面研究了样品光学特性与SNOM成像的关系.首先不考虑样品的形貌结构,研究了近场区样品的介电常量和导电性对于探针透射率和样品表面光斑大小的影响.其次,在一定样品形貌结构下,研究了恒定高度扫描和恒定间距两种扫描方式下获得的扫描像信号,讨论了扫描像信号的分辨率和空间频谱性质.

　　1　计算模型

　　在SNOM工作中,探针不管是作为收集模式下的探测元件还是作为照明模式下近场光源,都是起决定性作用.因此,建立SNOM探针的模型是非常重要的,也是SNOM各种数值研究中建立模型的核心.本文研究的二维SNOM的探针模型如图1.探针左边部分为一个宽度为2h的均匀平板波导,右边部分为一个长度为L、开口大小为Λ锥形结构,其中探针除了均匀波导左边的入口和探针右边锥形尖端的开口,全部由金属覆盖.激励光波从探针左边的入口入射,由于探针左边的均匀波导一般很长,因此激励光波通常为均匀波导的行波本征模.样品表面距离探针开口处的距离为H.整个计算区域分为三个部分,就是探针内部、探针外部和样品内部三个部分,假设它们都由均匀介质构成,相对介电常量依次为ε1、ε2和ε3.