Исследование взаимодействия терагерцового электромагнитного излучения с системой зонд-объект в терагерцовом безапертурном ближнепольном микроскопе

Содержание

• диссертации

Терагерцовый диапазон длин волн — это область спектра электромагнитного излучения, занимающая промежуточное положение между областью дальнего инфракрасного излучения и областью радиочастот. Со времени своего появления термин «терагерцовый» применялся в различных ситуациях. С 1970-х гг. его использовали для обозначения достигнутых к тому времени частот генерации HeNe-лазеров [31] и лазера на воде [9], для описания диапазона частот спектральных линий, охватываемых интерферометром Майкельсона [34], и для определения спектрального интервала, в котором работает детектор на точечно-контактных диодах [53]. В течение долгого времени в зарубежной литературе был распространен термин «terahertz gap» (т.е. «терагерцовая щель»), обозначавший труднодоступность данного диапазона длин волн по причине отсутствия подходящих источников и приемников. Однако с появлением эффективных источников и приемников когерентного излучения субмиллиметрового диапазона в 1990-х гг. термин «терагерцовый» начинает широко применяться для описания явлений, характерных для данной спектральной области, а упоминания о «терагерцовой щели» постепенно вытесняется сообщениями об активном развитии «терагерцовой технологии» (terahertz technology).

Литературные источники разных лет по-разному определяют нижние (0,10,3 ТГц) и верхние (3−30 ТГц) границы терагерцового спектрального диапазона [113,86,93,1]. Однако на сегодняшний день общепринятыми и устоявшимися границами считаются 0.1−10 ТГц.

Интерес к исследованиям в ТГц-диапазоне обусловлен тем, что в эту область попадают многие спектральные линии различных веществ. Частоты вращательных и колебательных переходов в различных молекулах и органических соединениях, колебаний решетки твердого тела, межзонных переходов в полупроводниках и энергетических щелей в сверхпроводниках лежат в терагерцовом диапазоне [61,45,38,82,40]. Спектральные особенности, вызванные этими фундаментальными процессами, являются уникальными для каждого вещества, что позволяет дифференцировать объекты по их спектрам, исследовать протекающие в них процессы и открывает обширные возможности для разнообразных применений в промышленности, связи, химии и медицине, в астрономических наблюдениях, диагностике плазмы и при решении различных спектроскопических задач [93,7,99].

Размеры объектов таких исследований могут отличаться на многие порядки величины: от миллионов километров при исследованиях скоплений межзвездного вещества до единиц нанометров при изучении биологических процессов и химических реакций. Для наблюдений крупных объектов, размеры которых превышают длину волны терагерцового излучения, используются методы оптики дальнего поля. Однако среди объектов, интересных для исследования в терагерцовом диапазоне, существует и ряд таких, размеры которых существенно меньше длины волны.

К ним, в частности, относятся клеточные соединения — биологические системы, состоящие из комплексов макромолекул, которые меняются во времени. Локальная структура такого биологического комплекса, как одиночная клетка, с течением времени меняется в зависимости от жизненного цикла клетки и ее состояния. Поскольку ТГц-излучение чувствительно к изменениям в колебательных модах такой системы, с его помощью возможно визуализировать и исследовать происходящие в клетке сложные молекулярные взаимодействия. Также важно отметить, что биологические молекулы (например, белки) функционируют в водной среде, а ТГц-излучение сильно поглощается водой. Вода на границах с воздухом, твердым телом и мембраной клетки имеет различную плотность, рН, ориентационный порядок и т. п. Такие специфические вариации свойств воды можно исследовать при помощи ТГц-спектроскопии [7,57,33,19].

Другим не менее интересным объектом исследования являются полупроводники, у которых поглощение в ТГц-области связано с фононными колебаниями и наличием свободных носителей. В частности, на оптические характеристики в этой области спектра большое влияние оказывают параметры легирования полупроводников [38,81], что объясняет интерес к их исследованию не только с точки зрения фундаментальной физики, но и для отработки технологии производства полупроводниковых элементов. Размеры таких элементов при современном уровне развития технологии имеют порядок десятков нанометров, что, очевидно, существенно меньше длины волны ТГц-излучения.

Основная проблема при изучении объектов таких размеров заключается в необходимости локализовать результат взаимодействия возбуждающего излучения с исследуемым объектом, размеры которого существенно меньше длины волны. Общее решение заключается в применении методов микроскопии ближнего поля, основы которой были описаны еще в 1928 г. ирландцем Х. Э. Сингхом в его переписке с А. Эйнштейном и выпущенных им же впоследствии статьях.

Ближнепольная оптика ведет свое начало с попыток превзойти дифракционный предел разрешения в формировании оптических изображений. В конце 19-го века Аббе и Релей вывели условие для минимального расстояния Ах между двумя точечными источниками, при котором они все еще могут быть однозначно различены как два обособленных источника. Критерий Аббе выглядит следующим образом: Дх = 0.6Ы/Ж4, где ЫА = пзт (9тах — числовая апертура, характеристика оптической системы, п — показатель преломления окружающей среды, а втах -максимальный угол сбора оптической системы. В лучшем случае ТУА = п, что в случае с оптическими стеклами дает ИА^ 1.5 и, следовательно, Ах ~ А/3. Также важно отметить, что критерии Аббе и Релея никак не используют информацию о свойствах двух источников излучения. Кроме того, в данных критериях предполагается, что взаимодействие между светом и веществом линейно. Тем не менее, учитывая априорные знания о характеристиках возбуждения или спектральных свойствах образца, возможно превзойти дифракционный предел разрешения. К примеру, расстояние между двумя молекулами, одна из которых излучает в красном, а другая — в зеленом участке спектра, может быть измерено с точностью единицы нанометров при помощи спектральных фильтров путем пропускания излучения только от одной молекулы в данный момент времени. В этом случае разрешение лимитируется точностью измерения максимума у функции Эйри.

Пространственный спектр Ё оптического поля Е в плоскости изображения однозначно задается пространственным распределением этого спектра в плоскости изображения посредством т.н. оптической функции переноса Й{кх, куг} = е±, к=г, где

К=}2 + ' к = псо1с = п2л1 Л. Функция Н является осциллирующей для (к2 + к2)<�к2 и экспоненциально затухающей для (к2 + к2}>к2. Иными словами, если плоскость изображения достаточно удалена от плоскости объекта, то вклад спадающих слагаемых (эванесцентных полей) является нулевым. Пространственные частоты (к2+к2)>к2 исходного поля отфильтровываются в процессе его распространения, и информация о пространственных вариациях поля высокого порядка оказывается утерянной. Потеря в процессе распространения пространственных частот, связанных с эванесцентными волнами, ведет к возникновению дифракционного предела и соответствующему ограничению пространственного разрешения (Рис. 1.1(а)). изоораженне и «гаража шс изображение сканирование сканирование

Я «>. ооразеп ооразец оора зец

Рис. 1.1 — Схематичное сравнение дифракционно-ограниченной (а) и ближнепольной оптической микроскопии (Ь, с). Изображение из [80]

Идея микроскопии ближнего поля заключается в сохранении пространственных частот, связанных с эванесцентными полями, и увеличении за счет этого ширины пространственнго спектра. Для увеличения спектра пространственных частот необходимо включить в рассмотрение эванесцентные волны с волновым числом = т^к] +к2 >к. Эти волны не могут свободно распространяться и, следовательно, не могут быть направлены к образцу посредством стандартных оптических элементов, т.к. они привязаны к поверхности вещества или материальных структур. Значит, для расширения пространственного спектра необходимо некоторое устройство, расположенное в непосредственной близости от образца, которое могло бы эти волны передавать. Таким устройством может стать локальный детектор-зонд, выполненный в виде либо очень маленького отверстия в металлическом экране, либо в виде освещаемой частицы (Рис. 1.1(Ь, с)). Как следует из Рис. 1.1(Ь, с), в ближнепольной оптической микроскопии локальный зонд обеспечивает ограниченный поток фотонов между зондом и поверхностью образца. Зонд сканирует поверхность образца, а в предустановленных положениях (х, у) зонда удаленный приемник регистрирует оптический отклик. Данным способом может быть зарегистрировано оптическое контрастное изображение.

Рис. 1 2 — Пример одной из первых ближнепольных оптических линий развертки, полученной 22 октября 1982 г. в исследовательской лаборатории компании 1ВМ в группе Дитера Поля на

Первое экспериментальное подтверждение ближнепольной микроскопии, оперирующей электромагнитным излучением, было проведено Эриком А. Эшем и Г. Николсом в University College, в Лондоне. В опубликованной в 1972 г. статье они использовали микроволны с частотой 10 ГГц (Х,=3 см) и апертуру 1.5 мм для формирования изображения алюминиевой тестовой структуры, осажденной на стеклянном держателе [8]. При расстоянии 0.5 мм между апертурой и плоскостью образца им удалось достигнуть разрешения лучше, чем А/60, что, безусловно, за апертурном зонде пределами дифракционного предела разрешения стандартного микроскопа. В 1982 г. первые ближнепольные оптические изображения были измерены Дитером В. Полем и его коллегами в IBM Research Laboratories (Рис. 1.2), а инфракрасный аналог был продемонстрирован позже в 1986 г. на излучении с длиной волны 100 мкм [65].

Существующие на сегодняшний день системы ТГц ближнепольной микроскопии своим появлением и развитием обязаны не только разработке методов сканирующей зондовой микроскопии. Их появление было бы невозможно без соответствующих схем генерации и детектирования ТГц-излучения. Важной частью ТГц ближнепольного микроскопа является когерентный терагерцовый спектрометр. линейный транслятор

Рис. 1.3 — Типичная схема эксперимента накачки-зондирования с разрешением во времени.

СД — светоделитель, Дг — относительная временная задержка между импульсами накачки и зондирования

Такой спектрометр представляет собой систему когерентного возбуждения и приема одиночных ТГц-импульсов с частотой -100 МГц [77]. В основе работы этой системы лежит техника накачки-зондирования с разрешением во времени (Рис. 1.3). Для ее реализации используется лазер со сверхкороткими оптическими импульсами, пучок которого разбивается на два: пучок накачки и пучок зондирования. Накачка вызывает в исследуемом объекте некоторый переходный процесс, который анализируется при помощи пропускания, отражения или рассеяния от того же образца второго, зондирующего, пучка. В такой системе нет абсолютной временной шкалы, все отсчеты ведутся относительно временной задержки между приходом на образец импульса накачки и зондирующего импульса. Эта задержка обеспечивается за счет изменения длины оптического пути импульса накачки при помощи специального высокоточного линейного транслятора, называемого оптической линией задержки. Обеспечиваемые таким транслятором временные шаги, как правило, имеют порядок десятых долей фемтосекунды.

Рис. 1.4 — Схема типичной установки по генерации и детектированию ТГц-импульсов при помощи фемтосекундных оптических импульсов

В ТГц когерентном спектрометре (Рис. 1.4) в качестве задающего используется фемтосекундный лазер, луч которого делится на два пучка, один из которых проходит линию задержки и попадает на источник ТГц-излучения. Сгенерированный в результате этого взаимодействия ТГц-импульс распространяется в свободном пространстве, после чего фокусируется на приемник ТГц-излучения и вызывает в нем некоторый переходный процесс, который анализируется при помощи зондирующего пучка. Поскольку длительность зондирующего импульса существенно меньше длительности ТГц-импульса, и учитывая, что эти импульсы когерентны и приходят на детектор с определенной частотой, можно считать, что зондирующий импульс будет постоянно регистрировать одно и то же состояние детектора, обусловленное текущей задержкой между приходом этих импульсов на детектор. Временная динамика всего переходного процесса регистрируется путем изменения временной задержки между возбуждающим и зондирующим импульсами, причем регистрируемый таким образом сигнал пропорционален именно амплитуде напряженности ТГц-импульса, а не его интенсивности. Такие зависимости сигнала, пропорционального амплитуде приложенного к приемнику ТГц-поля, от времени называются волновыми формами. Волновые формы записываются как в присутствие исследуемого объекта в тракте ТГц-излучения, так и в его отсутствие, после чего производится их Фурье-преобразование. Полученные в результате этого преобразования частотный и фазовый спектры позволяют оценивать не только поглощение, но и дисперсию образца со спектральным разрешением, пропорциональным временному разрешению ТГц-поля, определяемому шагом используемого линейного транслятора, и длительностью волновой формы, определяемой количеством шагов линейного транслятора.

Наиболее широко в системах ТГц-спектроскопии применяются фемтосекундные лазеры с синхронизацией мод. Синхронизация мод — это специальная техника, посредством которой можно получать последовательность коротких лазерных импульсов большой мощности. Ее сущность заключается в фиксировании фазовой задержки между всеми модами резонатора, так что при их суммировании получается одиночный импульс с периодом, равным времени одиночного прохода резонатора. Различают методы активной и пассивной синхронизации мод [95]. В соответствии с теорией лазеров с синхронизацией мод, для сгенерированного импульса должно выполняться условие, по которому произведение спектральной полосы данного лазера на длительность импульса ~1, поэтому более короткие импульсы генерируются на лазерах с большей спектральной полосой. Наиболее часто в качестве материала активной среды в таких системах используется оксид алюминия, легированный титаном (Ti: Sapphire), т.к. он имеет исключительно большую ширину спектральной полосы (650−1100 нм), а также высокий коэффициент теплопроводности, благодаря которому возможна его накачка мощным излучением. Среди других активных сред, часто используемых в фемтосекундных лазерах, следует назвать Nd: glass (1040−1070 нм), а также волокно, легированное Nd (1040— 1070 nm), Yb (1030−1080 nm), Er (1520−1580 nm), причем в последнее время наблюдается тенденция к переходу на волоконные фемтосекундные системы в связи с их уменьшенными габаритами и стоимостью [90].

Важной особенностью спектрометра является тот факт, что ТГц-импульс, падающий на детектор, регистрируется только в момент прихода фемтосекундного зондирующего импульса, что делает систему нечувствительной к фоновому излучению. Частота повторения фемтосекундных импульсов достаточно высока (десятки МГц), в связи с чем измерение в каждой точке волновой формы является усредненным по большому числу импульсов. Поскольку детектор ТГц-излучения чувствителен к амплитуде электрического ТГц-поля, то относительный вклад всех источников, находящихся не в фазе с падающими на детектор ТГц-импульсами, со временем стремится к нулю. Эти особенности объясняют исключительно большое соотношение сигнал/шум в ТГц когерентных спектрометрах. Для генерации и детектирования ТГц-излучения в таких системах, как правило, используют фотопроводящие антенны либо нелинейные оптические кристаллы.

Фотопроводящая антенна (ФПА) представляет собой быстрый оптический переключатель, встроенный в структуру антенны, как правило, в виде металлических электродов на полупроводниковой подложке (Рис. 1.5). Фемтосекундный оптический импульс фокусируется в зазоре между электродами и вызывает генерацию электрон-дырочных пар, если энергия падающего кванта больше ширины запрещенной зоны полупроводника. Образованные заряды ускоряются в электрическом поле, возникающем в зазоре при

приложении напряжения между электродами, захватываются дефектами, и в течение нескольких пикосекунд система возвращается к исходному состоянию. Таким образом, роль фемтосекундного импульса сводится к возбуждению электрического тока в зазоре между электродами. Рассматривая зазор как диполь Герца, можно показать, что в дальнем поле напряженность электрического ТГц-поля будет пропорциональна производной по времени от протекающего в зазоре фототока [49]. Фототок, порожденный фемтосекундным импульсом, может быть описан при помощи модели Друде-Лорентца [30,63].

ЙЁЁЩа^даШШ

Время [т.] Члс!01а[Пц!

1 3 ¦ 1 — фс ИАШ> 1Ьс фтшок 1 Г" ичп и с

У ^

— 1 «

Рис 1 5 — Слева — схема фотопроводящей антенны В центре — временные зависимости фемтосекундного оптического импульса (сплошная линия), фототока переходного процесса (пунктирная линия) и излученного ТГц-поля в дальней зоне (точки). Справа — результат Фурье-преобразования ТГц-поля в дальней зоне

Существует ряд нюансов, связанных с возбуждением однопериодных ТГц-импульсов. Первый полу пер иод электрического поля импульса определяется, в основном, длительностью оптического импульса, в то время как второй полупериод зависит от времени жизни носителей заряда в полупроводнике. В связи с этим для генерации интенсивных ТГц-импульсов с большой шириной спектральной полосы требуется сочетание короткого возбуждающего оптического импульса и малого времени жизни носителей заряда в полупроводнике. Чаще всего в ФПА применяется низкотемпературный ОаАБ (ЬТ-ваАз), однако возможны и другие варианты: радиационно-поврежденный кремний на сапфире (ЕШ-808), полуизолирующий ОаАэ (81 ваАз), фосфид индия 1пР, аморфный кремний. Для каждого материала требуется подбор длины волны оптического импульса, соответствующей ширине запрещенной зоны. В ЬТ-ваАз время рекомбинации минимизируется за счет создания дефектов в процессе роста путем введения избыточного количества мышьяка [67].

Другим немаловажным аспектом в изготовлении ФПА является форма металлических электродов, т.к. от нее зависит эффективность генерации ТГц-излучения. Среди наиболее известных решений: полосковая линия, диполь Герца, смещенный диполь и антенна-бабочка [96,97,74]. Основная задача при проектировании электродов — сделать их структуру резонансной на частотах выше 2 ТГц, где генерация менее эффективная, так что даже это сравнительно слабое высокочастотное излучение сможет быть зафиксировано в дальнем поле. Величина зазора между электродами также играет большую роль, т.к. с ее ростом необходимо увеличивать прикладываемое напряжение, чтобы сохранить прежнюю амплитуду электрического поля ТГц-импульса. Антенны с большим зазором используются для генерации ТГц-импульсов повышенной мощности [13].

На мощность генерируемого ФПА ТГц-излучения влияют также мощность возбуждающего фемтосекундного импульса и электрическое поле, приложенное к электродам. С увеличением мощности накачки в антенне происходит насыщение, однако его порог зависит от выбора структуры электродов и фотопроводящего материала. Поле, прикладываемое к электродам, в первую очередь зависит от напряжения пробоя в используемом полупроводнике. Поскольку мощность генерируемого ТГц-поля пропорциональна квадрату приложенного к электродам напряжения, на практике выбирают максимально возможное значение.

Детектирование импульсного ТГц-излучения часто осуществляется при помощи электрооптических кристаллов. В основе такого детектирования, называемого также электрооптическим стробированием, лежит использование эффекта Поккельса: при

приложении квазистатического электрического поля к электрооптическому кристаллу в последнем наводится двулучепреломление, в результате чего изменяется поляризация проходящего через этот кристалл излучения. Величина вызванного эффекта зависит от совмещения оптического и ТГц-полей с кристаллическими осями. В частности, при использовании кристалла ZnTe с ориентацией (110) максимальное изменение поляризации достигается, когда векторы напряженности оптического и ТГц-полей параллельны направлению [lio]. Линейно поляризованный импульс по мере своего прохождения через кристалл, к которому приложено ТГц-поле, меняет поляризацию на слабо эллиптическую пропорционально величине ТГц-поля, а мера изменения эллиптичности поляризации регистрируется при помощи последовательно установленных четвертьволновой пластины, призмы Волластона и балансного фотоприемника (Рис. 1.6). фс-импульс кристалл

Х/4 призма

Волластона

ТГц-им пульс

Балансные фотодиоды

ТГц-поле не приложено к кристаллу

ТГц-поле приложено к кристаллу

-o+v 1У =

L — L = Д

Рис. 1.6 — Иллюстрацию к схеме детектирования ТГц-импульсов при помощи электрооптического кристалла. Показано, как наличие ТГц-излучения влияет на поляризацию зондирующего импульса. Изменение соотношения между ортогональными компонентами поляризации измеряется балансным фотоприемником

Для достижения субволнового разрешения в ТГц-области за последние два десятка лет было разработано несколько методов, которые могут быть сгруппированы следующим образом: конфокальная микроскопия- использование апертур- метод рассеяния- использование распространяющейся по проволоке моды- метод прямого детектирования.

Конфокальная ТГц-микроскопш

Концепция конфокальной микроскопии на оптических частотах, широко используемая в наши дни для улучшения разрешения в оптической микроскопии, несмотря на свою простоту появилась сравнительно недавно [69]. Идея заключается в размещении маленькой апертуры (диафрагма 3 на схеме Рис. 1.7) в фокальной плоскости объектива микроскопа, которая заблокирует прохождение лучей, не совпадающих с сопряженным изображением. В результате такой операции повышается как пространственное разрешение, так и разрешение по глубине. Данная концепция была реализована в ТГц-диапазоне в системе когерентной ТГц-спектроскопии путем введения двух дополнительных параболических зеркал в тракт ТГц-излучения для организации вторичной фокусировки (Рис. 1.7) [112].

325 Нг

Рис. 1.7 — Схема экспериментальной установки конфокальной ТГц-микроскопии [112]

Во втором фокусе ТГц-излучения размещается диафрагма диаметром 1.2 мм, что приводит к небольшому повышению разрешения (УА) без потерь в спектре ТГц-импульса. При помощи данной техники можно путем незначительного усложнения схемы микроскопа повысить его разрешение.

Использование апертур

Наиболее простой и эффективный способ повышения пространственного разрешения заключается в уменьшении размеров приемной системы и ее помещении в непосредственной близости от исследуемого объекта. Данная идея может быть реализована при помощи апертуры. Апертура будет ограничивать и локализовать поле, которое в нее проникает, и только прошедшее поле будет зарегистрировано. Пространственное разрешение будет ограничено размерами самой апертуры. Основными недостатками этого метода являются слабая пропускная способность апертуры, создающая проблему регистрации очень слабого сигнала, и фильтрация проходящего через апертуру излучения, поскольку апертура представляет собой волновод со своей частотой отсечки. Как правило, апертуры изготавливают в виде простых отверстий в металле, однако иногда вокруг или перед ней создают специальные структуры, которые усиливают проходящий сквозь нее сигнал.

Простые апертуры.

Первый пример применения апертуры в сканирующей микроскопии относится к микроволновой области (10 ГГц) и датируется 1972 г. [8]. В ТГц-области этот принцип был применен в 2000 г. [71]. В этом эксперименте авторы изготовили квадратную апертуру 50×50 мкм2 в слое золота толщиной 600 нм, осажденном на ваАз подложку (Рис. 1.8). В качестве детектора использовалась фотопроводящая антенна, расположенная под центром апертуры на расстоянии 4 мкм. С ее помощью в ближней зоне апертуры измерялась амплитуда электрического поля прошедших ТГц-импульсов. Для увеличения количества проходящего через апертуру ТГц-излучения на ней можно расположить конус или кремниевую линзу, что в эксперименте позволило получить пространственное разрешение 7 мкм при апертуре диаметром 5 мкм на частотах 0−2 ТГц [72].

Как уже говорилось, апертура будет отфильтровывать низкие частоты в зависимости от своего размера. Согласование экспериментальных результатов для

Поскольку максимальное разрешение при использовании апертуры зависит от ее размера, а уменьшение размера апертуры приводит к уменьшению прошедшего через нее излучения, то на практике, как правило, приходят к некоторому балансу между этими величинами. Однако известны работы, в которых были сделаны попытки обойти данное противоречие за счет специальных вычислительных методов, которые получили название дифференциальной ближнепольной оптической микроскопии [83]. В этом случае используется апертура размером порядка длины волны излучения, которая сканирует объект в области его ближнего поля, а прошедший через нее сигнал регистрируется в области дальнего поля. Ближнепольное изображение восстанавливается из полученного массива данных путем взятия его второй производной по координатам. При помощи этого метода было достигнуто разрешение ШО на квадратной апертуре со стороной 100 мкм, облучаемой ТГц квантовым каскадным лазером с длиной волны 105 мкм [28].

Профилированные апертуры

Большую проблему представляет эффективный ввод падающего ТГц-излучения в апертуру. Как правило, падающая волна в фокусе имеет гауссов профиль, а диаметр перетяжки пучка намного превышает диаметр самой апертуры, что не способствует эффективному согласованию. Один из способов повышения эффективности заключается в размещении вокруг субволновой апертуры концентрической периодической структуры [47]. Параметры этой структуры рассчитываются так, чтобы падающее ТГц-излучение резонансно переходило в поверхностные моды, которые распространяются в апертуру, находящуюся в центре окружностей. В результате в апертуру вводится больше ТГц-излучения, что, следовательно, приводит к более сильной дифракции на другом ее конце. В этой работе апертура имела диаметр 100 мкм и толщину 60 мкм. Такая большая толщина была необходима для создания вокруг апертуры концентрического профиля с углублениями шириной 100 мкм, высотой 20 мкм и периодичностью 200 мкм, однако она же приводила к существенной отсечке частот. Тем не менее, для частоты 1.5 ТГц, для которой и была спроектирована структура, удалось получить 20-кратное усиление прошедшего через апертуру сигнала по сравнению с обычным отверстием таких же размеров, а также достигнуть разрешения 50 мкм (Х/4).

Помимо повышения эффективности ввода излучения в апертуру можно использовать некоторые приемы для его более эффективного вывода из отверстия. В частности, размещая на выходе из апертуры острие для более эффективного переизлучения затухающих мод. В качестве примера можно привести работу [48], в которой структурирование поверхности вокруг апертуры, имеющей форму антенны-бабочки (Рис. 1.8), позволило увеличить разрешение до А/17. В работе [52] описывается система, в которой в нескольких нанометрах от апертуры диаметром 8 мкм располагался детектор на основе гетероструктуры ОаАз/АЮаАБ, работающий при криогенной температуре. Было продемонстрировано, что такой детектор регистрирует только эванесцентные волны, прошедшие сквозь отверстие, а достигнутое при длине волны газового лазера 214.6 мкм разрешение составило 8 мкм (А/24).

Волноводы

Известны другие способы эффективного ввода излучения в апертуру. В качестве примера можно привести работу [46], в которой использовалась коническая апертура, выполненная в тонкостенной трубке по аналогии с заостренным волноводом в ближнепольных сканирующих оптических микроскопах. Пространственное разрешение 55 мкм (А/4) на полосе частот до 1.25 ТГц было продемонстрировано на апертуре в форме эллипса 50×80 мкм. Благодаря коническому профилю апертуры не наблюдалось сильного эффекта волноводной отсечки. Также было отмечено, что при сканировании апертурой вдоль главной оси эллипса разрешение уменьшалось. Подобные результаты были получены и на конической апертуре, изготовленной в стальной фольге толщиной 25 мкм [78]. Конус апертуры имел входной диаметр 1.9 мм и 420 мкм на выходе, а в сравнении с пропусканием через две эквивалентные апертуры с такими же диаметрами концентрация ТГц электрического поля на выходе конической апертуры была в 7 раз больше, причем эта концентрация увеличивалась пропорционально уменьшению выходного диаметра. Однако его уменьшение одновременно приводило и к нежелательным эффектам: возрастала частота отсечки и уменьшалась пропускная способность апертуры. Также в работе было продемонстрировано, что поле на выходной грани составляла 10 мкм, а расстояние между пластинами сократилось до 18 мкм (Рис. 1.9). Было показано, что такое заострение не приводит к искажениям регистрируемых волновых форм. Распределение поля на выходе волновода сильно зависит от расстояния между пластинами: отношение поля на входе волновода к полю на выходе экспоненциально стремится к 1 при уменьшении расстояния между пластинами до 0. На частоте 0.12 ТГц была достигнута фокусировка пучка А/260.

Дальнейшее совершенствование идеи привело к созданию плоскопараллельного волновода, заполненного диэлектриком с низкими потерями [54]. Для его изготовления был использован кремниевый брусок, механически заостренный с одного конца так, чтобы выходная грань имела размеры 30×40 мкм2. На две противоположные сужающиеся грани было нанесено металлическое покрытие, в результате чего получался волновод. ТГц-пучок фокусировался на входную грань бруска, распространялся внутри него и постепенно фокусировался между двух металлических сторон. Достигнув конца волновода, он отражался обратно и регистрировался после своего выхода из бруска. В регистрируемом после такого отражения сигнале содержится информация о диэлектрических свойствах образца, находящегося вблизи выходной грани бруска, которую можно извлечь при помощи сложного алгоритма [14]. В ходе эксперимента было достигнуто разрешение ~20 мкм, что соответствует >/200 для 80 ГГц. Также известны и другие диэлектрические зонды, которые исследовались в области миллиметровых волн. Тефлоновый стержень заострялся до конуса с выходным диаметром 1.7 мм и использовался для фокусировки ТГц-излучения, а также для визуализации металлического крестика с толщиной полоски 3 мм на частоте 93.5 ГГц [56].

Комбинация профилированной концентрической структуры с полиэтиленовым волокном, оптимизированным для распространения излучения на частоте 312 ГГц, использовалась для визуализации биологических объектов в работе [26]. ТГц-излучение вводилось в волокно, у обратного конца которого располагалась апертура, окруженная концентрическим профилем, а прошедшее через апертуру излучение взаимодействовало с объектом и регистрировалось при помощи ячейки Голея с разрешением 210 мкм (А/4). Также известны работы по оптимизации формы металдиэлектрических волноводов, однако они не содержат никаких экспериментальных данных [89].

Метод рассеяния

Известно, что металлические края и острые неоднородности хорошо рассеивают любое излучение, которое на них падает [6,55,42]. Если острие зонда, размеры которого меньше длины волны, разместить в непосредственно близости от образца и сфокусировать излучение на эту систему, острие будет рассеивать ближнее поле объекта, который расположен рядом с ним. Это рассеянное поле может быть зарегистрировано как в ближнем, так и в дальнем поле. Таким образом можно получить субволновое разрешение в непосредственной близости от острия зонда. Чтобы отделить информацию о ближнепольном взаимодействии от остального фонового сигнала, зонд, как правило, модулируют на звуковой частоте, а сигнал регистрируют при помощи синхронного усилителя на этой же частоте либо ее высших гармониках. Этот принцип имеет различные реализации, которые мы рассмотрим далее.

Динамический рассеивателъ

Недостатком всех рассмотренных ранее апертур является тот факт, что они изготавливаются раз и навсегда, и в процессе измерения уже невозможно изменить ни их размеры, ни управлять их открытием и закрытием. Однако к решению этой задачи можно подойти с другой стороны и создать т.н. динамическую апертуру. Такая апертура может быть двух видов: положительная, когда в расположенной на пути излучения непрозрачной среде управляемо создается ограниченная прозрачная область, и отрицательная, когда на пути излучения создается маленькая непрозрачная область, выступающая в роли рассеивателя излучения. Информации о положительных апертурах в ТГц-диапазоне обнаружено не было. Что же касается отрицательных апертур, то данный метод был разработан для среднего ИК-диапазона [84] и перенесен в ТГц-область. Его суть заключается во внешней модуляции присутствия апертуры, что позволяет при помощи синхронного усилителя регистрировать информацию только от этой области. sample gating beam parabolic mirrors probe beam

Рис. 1.10 — Схема эксперимента с динамическим рассеивателем [24]

Как правило, для реализации отрицательной апертуры используют полупроводник GaAs [24]. Рассеиватель создается путем оптического возбуждения свободных носителей в полупроводнике, причем используется для этих целей тот же фемтосекундный лазер, который возбуждает ТГц-излучение (Рис. 1.10). Время рекомбинации фотоносителей гораздо больше длительности ТГц-импульса, но не превышает временной интервал между двумя последовательными импульсами из лазера. Это означает, что если импульс возбуждения придет на полупроводник раньше ТГц-импульса, то полупроводник на время длительности ТГц-импульса станет локально непрозрачным в области, ограниченной фокусировкой импульса возбуждения. Импульс возбуждения модулируется при помощи механической вертушки. Данный вид ближнепольного эксперимента очень зависит от того, насколько малы время жизни и диффузионная длина носителей заряда в полупроводнике. Эти параметры варьируются путем правильного подбора полупроводникового материала и уровня его легирования. Использование данного метода позволило получить разрешение 36 мкм на частоте 0.9 ТГц (АЛО) при диаметре фокусировки возбуждающего оптического импульса на GaAs 22 мкм [25]. В работе [36] в качестве полупроводника использовался кремний, облучаемый зеленым лазерным диодом, а достигнутое разрешение на частоте 0.45 ТГц составило 100 мкм (А/6).

Преимущества данного метода заключаются в отсутствии необходимости в сложной экспериментальной установке и в расположении источника либо приемника ТГц-излучения в непосредственной близости от объекта исследования. Единственное, что требуется организовать рядом с объектом — это отрицательная апертура. В реальном эксперименте с уменьшением размера фокусного пятна возбуждающего излучения увеличивается разрешение, однако падает глубина модуляции регистрируемого ТГц-излучения, что приводит к ухудшению соотношения сигнал/шум. С уменьшением фокусного пятна происходит локальное повышение температуры в области фокусировки, что приводит к появлению локальных фотоносителей и, как следствие, также ухудшает отношение сигнала к шуму. На практике эти эффекты вынуждают искать некоторый компромисс между уровнем регистрируемого сигнала и достижимым разрешением.

Указанных недостатков лишен подход, заимствованный в ТГц-область из оптического и инфракрасного диапазонов, носящий название безапертурной ближнепольной сканирующей микроскопии.

Металлическое острие -регистрация в ближнем поле