激光切割加工光线的分辨极限

发布者:激光切割加工|凯利特  时间:2020-2-26 11:47:29

       探测近场光学信号的想法最早产生于1928年,但直到20世纪80年代,激光切割加工的发明才真正实现了利用光纤探针探测束缚在物体表面非辐射场的实验。普通光学成像的分辨率由于受到衍射极限的限制,理论上不能超过入射光波长的1/2,在可见光范围内,这一值约为200m。当入射光通过一个直径小于波长的小孔时,样品上只有相当于小孔直径的范围被照射此时扫描成像的分辨率将取决于探针的最小尖端的直径及探针和样品之间的间距。近场光学的本质是探测由物体衍射产生的携带低于约2/空间频率的传导分量和携带高于约2/空间频率的非辐射分量,即隐失场(EvanescentField)分量。而隐失场的有效范围仅限于以以下,所以当使用纳米尺度的探针在样品表面扫描时,理论上可以将衍射场的非辐射分量记录下来并转换为传导分量,从而极大地拓宽了系统的频带,因此可以获得超高分辨率SNOM正是应用了近场光学原理突破了光学衍射分辨极限,实现了在介观和纳米尺度的样品表面收集近场光学信息。同时,SNOM是扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscope,SPM)家族中的重要成员之一,和其他SPM相同,SNOM由探针、激光切割加工信号采集和处理、探针一样品间距反馈控制、X-Y扫描,以及图像处理这几部分组成如何精确控制探针和样品间距是SNOM实现超衍射分辨本领的核心问题之一,目前以激光光点反馈模式和剪切力反馈模式为主要的实现方式。

激光切割加工

        激光光点反馈模式采用的是传统原子力显微术(AtomForceMicroscopy,AFM)所使用的光点反馈系统,两者的区别在于SNOM利用的是微悬臂镀膜光纤探针而非金属钨丝探针,当探针接近样品表面的时候,由四象限探测器接收参考激光在微悬臂探针上产生的反射光斑,由此确定探针和样品之间的距离并进行反馈。剪切力反馈模式是指:当以本征频率激振的探针靠近样品表面时(z<50mm),由于激振的针尖和样品间相互作用力的存在,其振荡幅度及相位均会发生较大变化,由此可将探针样品间距控制在5~20m范围内。剪切力反馈模式无需参考激光的介人,是一种非光学的距离调控方法,从而使得到的光学成像图更具有真实性。而对于激光切割加工和样品之间剪切力作用机制的研究,有学者则通过利用不同湿度及不同阻尼介质环境下测量的音叉微电流和探针一样品间距(1d曲线证明,由于毛细凝聚作用,探针和样品间耦合的水合碳氢化合物分子所形成的黏滞阻尼是导致探针和样品间剪切力作用的主要原因基于全内反射式的SNOM又称光子隧道扫描显微镜(PhotonScanningunnelingMicroscope,PSTM),是另一种应用近场光学原理的具有超衍射极限分辨能力的光学显微镜其利用未镀膜的光纤探针代替传统SNOM小孔径镀膜光纤探针。当针尖无限接近样品表面时,直接利用裸光纤探针接收近场光信号,其分辨能力主要由裸光纤尖端中央点的面积决定,理论上比利用镀膜光纤的小孔径SNOM的分辨率要高几十倍。
        但由于近场光学信息是入射激光入射角的函数,样品表面不平相当于入射角度的变化,会引人人为的假象;并且由于样品形貌像和光学像混在一起,图像的解释遇到了困难。随着各种近场光学显微镜的不断研发和完善,包括样品和针尖距离精确控制技术的探索及快速扫描技术的发展,以及与其他成像技术的结合,近场光学显微技术必将在亚波长和纳米材料领域迎来更广泛的应用。表面等离激元(SPPs)作为金属表面的一种元激发在本质上和近场光学相似,都与高频电磁场的激发和传播有关。SPPs和光子耦合,以及由此产生的系列特殊光学效应已经成为目前研究的热点。Raether对光滑和粗糙表面产生的SPPs做了一系列早期的研究Kno则比较完整地总结介绍了20世纪90年代有关SPPs的理论和实验,并且指出虽然SPPs可以产生于任何金属的表面,但是由具有微纳结构的金属表面所激发的SPPs具有更好的共振增强特性。Kretschmann、Raether和Oto是最早在实验中观测到SPPs的科学家,而Fischer和Poh则首次将表面等离激元共振(SurfacePlasmonResonant,SPR)技术应用于近场光学显微领域。
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