数值分析在不同偏振时复杂样品的近场强度分布

　　1　引　言

　　探针和样品的相互作用是影响近场光学显微镜成像的主要因素。在光子扫描隧道显微镜(PSTM)中,全内反射界面上的样品在不同偏振模式的入射波激励下产生不同的散射,其散射场与探针相互作用,直接影响到成像的结果。

　　1996年,J.C.Weeber[1]用微分法计算了PSTM中介质(银质金属)探针和介质(银质金属)样品的相互作用。Olevier J.F.Martin[2]使用格林函数法模拟计算了扫描近场光学显微镜(SNOM)中“F”字样样品在TE、TM模式下的成像。简国树等[3]讨论了PSTM中采用带金属微粒的光纤探针对规则样品的成像情况。对PSTM中复杂样品的三维成像研究仍然很少。

　　本文使用三维时域有限差分法(FDTD),主要研究在PSTM系统中,分别采用p、s偏振的入射波,考虑介质小探针与介质样品和银质金属样品的相互作用,等高扫描模式下样品上方5nm处的场强分布图,清楚地显示了p、s偏振成像的区别。

　　2　小探针的性能测试

　　2.1　计算模型

　　图1为三维FDTD计算模型。模拟空间为120×60×40(分别为x、y、z方向的网格数),每个网格的大小为Δx=Δy=Δz=5nm。入射光的波长λ=633nm,入射角θ= 50°,单位振幅,分别采用p、s偏振平面波。

　　整个系统分为两部分,界面下方为玻璃样品台,折射率n0=1.5。界面上方为样品和光纤探针,折射率n3=1.5。n1=1是空气的折射率。光纤探针锥角约为60°,端头为半球形,半径为5nm,探针长度为65nm。

　　与文献[4]一样,采用“三波法”对界面两侧的入射场进行分别设置,即在界面下方为入射波Ei和反射波Er,在界面上方将隐失波Ee作为等效入射波[5]。

　　计算区域的总电场可以表示为

　　式中Eincident为入射场分量;Escattered为散射场分量。

　　光纤探针在样品上方5nm作等高扫描,计算其场强平方[6]

　　本文采用Mur二阶吸收边界条件编写程序,用MATLAB6.0对计算结果处理作图。所用计算机为Pentium(R)4,CPU为2.4GHz,内存512MB。

　　2.2　使用小样品检验探针性能

　　入射波分别采用p、s偏振的平面波。样品是长方体,大小为20nm×20nm×10nm,折射率为1·5。探针尖端距离样品5nm。(a)、(b)、(c)、(d)是探针上的不同位置,从最前端向上依次间隔15nm。在四个不同位置测量场强,其分布见图2。

　　图2中z坐标的场强值是归一后的结果:先测出只有探针没有样品时相应高度上位于x_y平面中心点周围10个网格上的场强值|E|2(0);再测出有探针和样品时,相应的场强|E|2(1);然后做运算|E|2=1000(|E|2(1)/|E|2(0))-1000。

　　图2(i)为p偏振时的近场强度分布,四处不同位置计算均能明显突出小样品的存在,且反映了小样品的形貌。图2(ii)为s偏振时的情况,由图可以看出,在样品正上方跃变的地方,场强分布产生凹陷,形成与样品相反的形状。