CC BY
51
УДК 29.31.26
А.Г. Верхогляд1, М.А. Завьялова1, Б.А. Князев2, С.Н. Макаров1, М.Ф. Ступак1
1 - КТИ НП СО РАН, Новосибирск
2 - Институт ядерной физики им. Будкера СО РАН, Новосибирск
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ БЛИЖНЕПОЛЬНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ ПРИСТАВКИ ДЛЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО СПЕКТРОМЕТРА НАРУШЕННОГО ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ
В статье описана концепция построения ближнепольной сканирующей приставки для терагерцового спектрометра нарушенного полного внутреннего отражения. Приведены экспериментальные результаты по использованию конфокального датчика с хроматическим кодированием для измерения расстояния.
A.G. Verkhogliad1, M.A. Zavyalova1, B.A. Knyazev2, S.N. Makarov1, M.F. Stupak1
1 - Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering (TDI SIE) Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (SB RAS)
41, Russkaya str., Novosibirsk, 630058, Russia
2 - Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS 11, Lavrentiev av., Novosibirsk, 630090 Russia
FEATURES OF CONSTRUCTION OF NEAR-SCANNING ATTACHMENTS FOR TERAHERTZ SPECTROMETER FRUSTRATED TOTAL INTERNAL REFLECTION
The design concept of near-field scanning attachment for terahertz spectrometer frustrated total internal reflection is presented. Experimental results on the use of confocal 3D surface sensor which is based on the diffraction-chromatic coding principle are shown.
Изучение свойств веществ в диапазонах электромагнитного излучения, выходящих за пределы видимого, представляет большой интерес для исследователей. В настоящее время идет активное изучение терагерцового диапазона во многом благодаря созданию в Новосибирском Академгородке лазера на свободных электронах, генерирующего мощное монохроматическое, перестраиваемое в широком диапазоне длин волн излучение [1]. Использование терагерцового диапазона открывает принципиально новые возможности в исследованиях свойств различных материалов в молекулярной и клеточной биофизике, биофотонике, молекулярной электронике, в диагностиках наноскопии и многих других важных приложениях. Растущий интерес к терагерцовым системам связан с фундаментальной особенностью терагерцового спектра, связанную с тем, что именно в нем лежат собственные
частоты колебаний и энергии конформационных переходов биомолекул, вращательные переходы многих молекул, характерные энергии современных полупроводниковых структур.
Целью работы является разработка концепции построения ближнепольной сканирующей приставки для исследования генерации поверхностных плазмонов терагерцового диапазона монохроматическим излучением на базе спектрометра нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), спектроскопия тонких плёнок и нанообъектов на поверхностях. По сути дела, в будущей установке будут объединены два метода - метод терагерцовой НПВО-спектроскопии с методом ближнепольной зондовой сканирующей микроскопии.
Рассмотрим основные узлы данной конструкции (см. рис. 1). В схеме изображающего НПВО-спектрометра эффект полного внутреннего отражения от границы раздела между НПВО-элементом (например, призмой из кремния) с высоким показателем преломления п0 = 3,4 и образцом с меньшим показателем
ПреЛОМЛеНИЯ П При угле ПадеНИЯ больше КрИТИЧеСКОГО вс = агС5т(/7//70)
нарушается, если исследуемый образец поглощает терагерцовое излучение. Тогда на границе раздела возникает затухающая эванесцентная волна, которая не является «свободным излучением», а представляет неразрывное целое с поверхностным плазмоном - колебаниями свободных электронов вблизи поверхности проводника [1]. Введение зонда в область локализации эванесцентной волны позволит реализовать метод ближнепольной зондовой сканирующей микроскопии [2, 3]. Сканирование поверхности объекта и детектирование результата взаимодействия объекта и зонда дает возможность исследовать оптические свойства образца в локальных областях, соответствующих размеру зонда (как правило, диаметр апертуры которого много меньше длины волны излучения). Тем самым можно преодолеть дифракционный предел с целью исследования субстанций и объектов макро-, микро - и наноразмеров.
Детектор
Источник
терагерцового
излучения
Рис. 1. Геометрия ближнепольной сканирующей приставки в схеме изображающего НПВО-спектрометра
Основным элементом ближнепольной сканирующей приставки является конфокальный датчик на основе хроматического кодирования [4] (см. рис. 1), позволяющий проводить прецизионные измерения расстояния до поверхности.
Датчик расположен на ХУ7-позиционирующей платформе на основе пьезоподвижек для прецизионного сканирования поверхности субволновым зондом. Оптическая схема датчика описана ниже.
Излучение осветителя фокусируется на торец многомодового оптоволокна и проходит через оптоволоконный светоделитель, расширяется объективом О2 и фокусируется на грань кремниевой призмы объективом О\. Оптоволоконный светоделитель представляет собой два многомодовых волокна, сваренных вместе, и позволяет объединять или расщеплять световые потоки. Рассеянный свет собирается объективом О1 и фокусируется объективом О2 на торец светоделителя, через который излучение попадает на спектроанализатор. Торец светоделителя выполняет роль конфокальной диафрагмы, его диаметр равен 50 мкм. Для реализации метода хроматического кодирования нами предложено использовать гибридный рефракционно-дифракционный объектив (РД-объектив) О1, который позволяет расщеплять падающий поток на хроматические составляющие в измерительном диапазоне ДZ В зависимости от расстояния между объективом и кремниевым кристаллом на поверхности последнего фокусируется свет только с определенной длиной волны из всего спектрального диапазона [^тП..Атах]. Все другие спектральные компоненты освещают широкую площадь поверхности. Использование конфокального принципа приводит к прохождению на спектроанализатор практически монохроматического света с длиной волны 1т^, все остальные спектральные компоненты из диапазона Д7 отсекаются. Длина волны 1т^ однозначно связана с расстоянием до объекта. По изменению Х^п судят о величине смещения.
РД-объектив состоит из стандартного микрообъектива (40х, f = 4.3 мм) и дифракционного оптического элемента (ДОЭ). ДОЭ представляет собой фазовую зонную пластинку с окружностями, радиус которых совпадает с радиусами зон Френеля [5]. На ДОЭ лучи дифрагируют, а микрообъектив осуществляет фокусировку (рефракцию) дифрагированных лучей. Отсюда название объектива - дифракционно-рефракционный. Следует отметить, что в существующих зарубежных аналогах для формирования хроматического отрезка используется набор линз из особых стекол, за счет которых объектив имеет увеличенный хроматизм положения. Применив вместо такой комбинации линз ДОЭ, можно существенно упростить конструкцию и уменьшить массогабаритные характеристики конфокального датчика.
Фокус ДОЭ РД-объектива можно найти, решая систему уравнений:
Г 1 + 1 = 1
/ +/ ”/
] и т ° Лтт °
1 1 _ 1 ’
/ /. / + Дг
^ т ° Атах °
где fm - фокусное расстояние микрообъектива, и fmax - фокусные расстояния ДОЭ для длин волн lm^ = 450 нм и Xmax = 650 нм, AZ - длина хроматического отрезка, f - фокусное расстояние РД-объектива.
Так как фокусное расстояние фазовой маски определяется формулой
г2 , ~ ч /. .Я _
/ =-2- (где Гп - радиус П-ОИ ЗОНЫ, п - номер ЗОНЫ), ТО £mm_ _ тах_ ^ q учетом
я 2пЯ / Я
/.max min
последнего выражения формула для нахождения фокусного расстояния ДОЭ примет следующий вид:
/mm 2Л, •
___max
/Я
т mm
По этой формуле можно оценить фокус ДОЭ для получения хроматического AZ отрезка нужной длины.
Были рассчитаны и изготовлены два ДОЭ с AZ = 100 и 200 мкм.
Для реализации метода хроматического кодирования на выходе датчика необходим спектроанализатор, например, спектрометр. Нами предложено вместо спектрометра, в котором длина волны измеряется напрямую, использовать цветную камеру. Это позволит уменьшить себестоимость датчика и в целом упростить его конструкцию.
Цветное изображение с камеры характеризуется яркостью, координатами цвета и координатами цветности, которые позволяют определить доминирующую длину волны, то есть такую длину волны, на которой в спектре имеется преобладающее по мощности излучение. Алгоритмы определения доминирующей длины волны подробно описаны в [6]. Спектральное разрешение камеры было оценено с помощью компьютерного моделирования шума матрицы. Для этого на изображение фокального пятна накладывался шум и вычислялась доминирующая длина волны на 20 итерациях. Разница между максимальной и минимальной длиной волны определило разрешение, которое составило 0,01 - 0,06 нм при отношении сигнал/шум 30 - 50 dB (для рядовых камер). Таким образом, погрешность измерения, обусловленная шумом камеры, для измерительного диапазона AZ=200 мкм составляет от 7 до 42 нм.
Следует отметить, что ширина спектра, регистрируемого спектроанализатором, напрямую зависит от размера диафрагмы. Расчеты показали, что, например, при размере диафрагмы 10 мкм и размере пятна на камере 10 мкм ширина спектра пропускания 7 нм.
Экспериментальные результаты
Экспериментальные исследования конфокального метода осуществлялись на макете с использованием в качестве источника галогеновой лампы или белого светодиода, а в качестве спектроанализатора - цветной видеокамеры (TUCSEN 1.3 Mp). Объект смещался с помощью пьезоподвижек фирмы Physik Instrumente (PI) с шагом 1 мкм и погрешностью позиционирования 0,2 мкм. Данные обрабатывались с помощью разработанного программного
п2
-4-
/I
___m
Л
--1-
л
Ä
L
Az
(
1-
/I
/I
max
обеспечения. На рис. 2 представлен график, показывающий характер изменения длины волны на спектроанализаторе (камере) в зависимости от расстояния до объекта при глубине фокусировки А7 = 200 мкм.
Из графика видно, что зависимость довольно линейная (нелинейность составляет 4 %), а уровень локальных отклонений
соответствует
применяемого
Результаты
подтверждают
создания
приставки
конфокального
хроматиче ским
погрешности оборудования. эксперимента возможность ближнепольной на основе датчика с кодированием с
чувствительностью к смещениям порядка 1 мкм, которая на порядок выше, чем характерная глубина ближнепольной области. Основные результаты Предложено использовать кодированием для измерения
Рис. 2. Зависимость доминирующий длины волны, рассчитанной по изображениям с цветной видеокамеры, от смещения поверхности
конфокальный метод с хроматическим
расстояний с целью использования в
ближнепольной приставке изображающего НПВО-спектрометра.
Рассчитаны гибридные рефракционно-дифракционные объективы с различной глубиной фокусировки (А7 = 100 и 200 мкм).
Проведено программное моделирование и экспериментальная апробация конфокального метода с хроматическим кодированием. Разработано программное обеспечение, позволяющее по значениям Я, О, В - координатам цвета изображения вычислять доминирующую длину волны. Получена
чувствительность к смещениям поверхности порядка 1 мкм при глубине
фокусировки 100 и 200 мкм для микрообъектива 40х.
Направлением дальнейших исследований является разработка оптимальной конструкции ближнепольной приставки для изображающего НПВО-спектрометра. Для калибровки конфокального датчика в настоящее время разрабатывается датчик касания к поверхности. Это позволит подвести рабочий зонд на заданное расстояние от поверхности с большой точностью. Для контроля расстояния между зондом и поверхностью планируется снимать конфокальный сигнал одновременно и с зонда, и с исследуемого образца. Расхождение значений длин волн и определит смещение поверхности в процессе сканирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Gerasimov, V V, Knyazev, B. A. and Cherkassky, V S. Obtaining spectrally selective images of objects in attenuated total reflection regime in real time in visible and terahertz ranges. Optics and Spectroscopy, 108 (2010) 859-865.
2. Миронов, В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии // РАН Институт физики микроструктур. - Нижний Новгород, 2004.
3. Pawley, J. B. Handbook of Biological Confocal Microscopy // New York: Plenum Press. - 1995. - 632 р.
4. Stern, H., Metzger R., Chromatic optical ranging sensor // Пат. 5790242 США МКИ G01C3/08. - Опубл. 04.08.1998.
5. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. - М.: Наука, 1970. - 856 с.
6. Ginzhul, А. V., Zavjalova, М. A, Obidin, Y. V., RGB image processing method for color classifying diamonds [Текст] // Proceedings of ISMTII-2009 (The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments). Published by D.S. Rozhdestvensky Optical Society, Russia. Saint-Petersburg, Russia, 29 June - 2 July 2009. Vol. 4. - P. 4-167 - 4-171.
© А.Г. Верхогляд, М.А. Завьялова, Б.А. Князев, С.Н. Макаров, М. Ф. Ступак, 2011
