VirtualLab Fusion對SNOM光纖探針內(nèi)部光場分布的仿真

張寶武,饒鵬輝,Francesco Fuso,霍劍鋒,余桂英,王道檔

(1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.訊技光電科技(上海)有限公司,上海 200092;3.比薩大學(xué) 物理系,比薩 意大利 56127)

VirtualLab Fusion對SNOM光纖探針內(nèi)部光場分布的仿真

張寶武1,3,饒鵬輝2,Francesco Fuso3,霍劍鋒1,余桂英1,王道檔1

(1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.訊技光電科技(上海)有限公司,上海 200092;3.比薩大學(xué) 物理系,比薩 意大利 56127)

為了深入研究掃描近場光學(xué)顯微鏡(Scanning near-field optical microscope, SNOM)光纖探針導(dǎo)光特性,我們利用VirtualLab Fusion光學(xué)軟件,仿真研究了光纖探針內(nèi)部的光場分布.結(jié)果顯示，光纖探針內(nèi)部的光場分布呈固定的花樣;中軸線光場具有峰值結(jié)構(gòu),其最大值位于探針出口前120 nm處;這個(gè)最大峰值隨著光纖外層鋁層厚度的增加呈現(xiàn)先減小后增加,最后趨于穩(wěn)定的變化,隨著光源偏振態(tài)的變化呈現(xiàn)正弦的分布.

掃描近場光學(xué)顯微鏡;光纖探針;VirutalLab Fusion軟件;偏振態(tài)

SNOM[1-5]因?yàn)槟軌蛲黄蒲苌錁O限,能夠獲得高分辨率光學(xué)圖像,能夠?qū)崿F(xiàn)超高密度光學(xué)信息儲(chǔ)存,且具有非接觸和快速成像等特點(diǎn),所以在凝聚態(tài)物理、生命科學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和信息產(chǎn)業(yè)中有著極為廣泛的應(yīng)用[6-10].亞微米尺度取樣探針是SNOM的關(guān)鍵部件,是SNOM成像的信息源頭,它的質(zhì)量高低直接決定著SNOM的分辨率、靈敏度和傳輸效率.因此,探針的光機(jī)電特性和制作工藝一直是SNOM領(lǐng)域的研究重點(diǎn).為了解決探針小直徑和大光能之間的矛盾,研究者從不同角度對探針中的光能傳輸、能量對比和光束形狀等方面進(jìn)行了深入的研究.例如,Novotny等人[11]用多重多極子方法計(jì)算了二維探針的場分布,Leviatan等人[12]研究了無限大良導(dǎo)體平板上的小孔衍射近場結(jié)構(gòu),周慶等人[13]用時(shí)域有限差分法計(jì)算了光纖探針的場分布.這些方法確實(shí)可以探究探頭對光場的作用,但是它們普遍存在理論深?yuàn)W、難度大、程序復(fù)雜、工作量大,且不適于探頭的快速設(shè)計(jì)等問題.

本文以文獻(xiàn)[13]所述探針模型為對象,利用VirtualLab Fusion(VLF)軟件,仿真研究了SNOM光纖探頭內(nèi)部的光場特性,內(nèi)容涉及探針內(nèi)部場分布,入射光偏振性對光場分布的影響,鋁層鍍膜厚度對光場分布的影響等.研究結(jié)果顯示,VLF可以對光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速建模,減輕仿真工作量,且具有整體虛擬運(yùn)行的特點(diǎn).探針內(nèi)部光場的仿真結(jié)果更加豐富了探針內(nèi)部光場分布信息.

1 SNOM光纖探針的VLF建模

1.1 VLF建模依據(jù)

VLF[14]是一款基于場追跡理論的模塊化光學(xué)建模軟件,其建模與分析主要涉及光源、各光學(xué)元件和探測器,以及各部分之間傳播介質(zhì)和方式.其中,光源是以光場的電磁學(xué)描述方式來表達(dá);光學(xué)元件以輸入和輸出面,以及兩面之間填充介質(zhì)的方式來表達(dá);探測器是以矢量場分析的方式來表達(dá).從光源到光學(xué)元件再到探測器之間的光路傳播是以麥克斯韋方程組的場矢量傳播規(guī)律來實(shí)現(xiàn).

圖1 VLF的光學(xué)元件光場輸入輸出模型[14]Figure 1 In-out model of optical field within VLF

1.2 光纖探針建模

圖2為SNOM光纖探針結(jié)構(gòu)[13],其中探針的長度為H=600nm,探針入口處孔徑為Φ1=700nm,探針出口處孔徑為Φ2=100nm,光纖的介電常數(shù)為ε=2.25,光纖外層所鍍鋁層的厚度T=80nm,入射激光沿著z軸在探針中傳播,波長為500nm,沿y方向偏振.

圖2 用于仿真的SNOM光纖探針結(jié)構(gòu)[13]Figure 2 Model of SNOM optical fiber for simulation

圖2探針在VLF中的建模過程如下.選擇一個(gè)光纖模塊,按照圖2結(jié)構(gòu)將此光纖模塊設(shè)置成三層結(jié)構(gòu):內(nèi)部纖芯是能夠傳輸波長為500nm,折射率為1.462 3的熔融石英;中間一層是對應(yīng)波長為500nm,折射率為0.77,厚度為80nm的鋁膜;最外層為空氣.探針的最終建模結(jié)構(gòu)如圖3.

圖3 SNOM光纖探針在VLF中的模型Figure 3 Model of SNOM optical fiber within VLF

探針建模結(jié)束后,分別拖拽光源和虛擬探測器至VLF的工作窗口中,與探針模塊進(jìn)行連接,構(gòu)成仿真光路,如圖4.其中,高斯光源發(fā)出的光經(jīng)過SNOM光纖探頭以后,被虛擬探測器所接受.光源波長設(shè)置為500nm,偏振為y方向.各元件之間的相對距離都設(shè)置為零.這里需要指出的是,VLF使用了傅里葉模態(tài)法(FourierModalMethod,FMM)來求解從光源到探測器的電磁場傳播過程,即圖4中的FMM分析器.FMM本身就是光纖建模的一種方法,原本是用來精確模擬周期性結(jié)構(gòu)的方法.本文所仿真的光纖探針雖然不是周期性的,但是鑒于其微小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),我們首先在FMM模擬中設(shè)置大周期來實(shí)現(xiàn)周期性結(jié)構(gòu)分析,然后在結(jié)算結(jié)果中通過軟件自動(dòng)選取局部放大后,實(shí)現(xiàn)對非周期性結(jié)構(gòu)的精確模擬.

圖4 VLF仿真SNOM光纖探針的光路Figure 4 Optical setup for simulation of SNOM probe with VLF

從上面的建模過程可以看出,VLF中每一個(gè)光學(xué)元件都是一個(gè)基于電磁場的程序模塊,每個(gè)光學(xué)元件通過材料拼接、面型設(shè)置和尺寸設(shè)置的方式來完成,用戶通過拖拽的方式在完成虛擬光學(xué)系統(tǒng)的流程圖.這樣的結(jié)果就減輕了用戶在電磁場理論推導(dǎo)和仿真程序編寫等方面的工作量.另外,圖4還顯示,VLF將探針和一個(gè)光源連接起來,使考察對象的信號來源不再孤立,實(shí)現(xiàn)了一種全局虛擬儀器的概念.這樣,探針結(jié)構(gòu)對光場的傳導(dǎo)特性可以通過改變光源特性來考察.

2 SNOM光纖探針的VLF仿真

2.1 探針內(nèi)部光場分布

圖5給出了探針內(nèi)部光場強(qiáng)度分布,a,b,c分別為電場三個(gè)分量的分布情況,單位為(V/m)2;a′,b′,c′分別為磁場三個(gè)分量的分布情況,磁場單位為(A/m)2;電場矢量沿y方向.圖5顯示,xoz界面內(nèi)只存在y方向的電場分量,其強(qiáng)度分布呈現(xiàn)離散型局域化特征;電場的其他兩個(gè)分量都為零.與此對應(yīng),xoz平面內(nèi)則缺失y方向的磁場分量,而其他兩個(gè)分量同樣呈現(xiàn)離散型局域化特征.圖5(b)沿x=0這條線,即探針沿z方向中軸線方向上的強(qiáng)度分布如圖6.圖6顯示,探針內(nèi)部中軸線上的光強(qiáng)分布具有峰值結(jié)構(gòu),其最大值(A所示位置)在探頭出口前120nm的位置處.

圖5 SNOM探針內(nèi)部光場分布(y方向偏振)Figure 5 Optical distributions within SNOM probe(y polarization)

圖6 探針內(nèi)部沿軸線上的光場分布Figure 6 Optical distribution along the axis within the probe

2.2 入射光偏振對光場分布的影響

圖7給出光源為x方向偏振時(shí)探針內(nèi)部光場分布情況.其中,電場單位為(V/m),磁場單位為(T);a,b,c分別為電場三個(gè)分量的分布情況;000a′,b′,c′分別為磁場三個(gè)分量的分布情況.和圖5相比,圖7正好相反:xoz平面內(nèi)至缺失y方向的電場分量而存在其他兩個(gè)方向的分量;xoz平面內(nèi)只存在y方向的磁場分量而缺失其他兩個(gè)方向的分量.另外,圖7的光場分布雖然具有離散型局域化特征,但是和圖5具有完全不同的分布.由此可知,當(dāng)光源的偏振性發(fā)生變化時(shí),探針內(nèi)部光場分布結(jié)構(gòu)也將隨之發(fā)生變化,如圖8.其中,光源電場矢量經(jīng)歷了從x方向經(jīng)歷360°變化后重新回到x方向的變化過程,考察對象為圖6曲線上的A點(diǎn)峰值.

圖7 SNOM探針內(nèi)部光場分布(x方向偏振)Figure 7 Optical distributions within SNOM probe(x polarization)

圖8 光源電場矢量與x方向夾角變化時(shí)探針內(nèi)部光場的變化曲線Figure 8 Variation of optical distribution within SNOM with the angle between electric field vector and x direction

圖8顯示,隨著光源電場矢量相對于x方向角度的變化,A點(diǎn)峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)正弦型的變化趨勢,并且每當(dāng)電場矢量和x方向相差90°,即電場矢量在y方向上時(shí),A點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值.另外,由于線偏振態(tài)是一種特殊情況下的橢圓偏振態(tài),所以圖8的曲線也是橢圓偏振態(tài)光源情況下光纖探針內(nèi)部光場分布隨偏振態(tài)的變化狀態(tài).

2.3 不同厚度鋁層對探針內(nèi)部光場的影響

圖9為x偏振光情況下,光纖外層鋁層厚度為10nm時(shí)的光場分布.其中a,b,c分別為電場三個(gè)分量的分布情況;a′,b′,c′分別為磁場三個(gè)分量的分布情況.和圖5對比,圖9顯示因?yàn)殇X層厚度的減小,電場和磁場在x,y和z三個(gè)方向上都會(huì)泄露到探針外部,進(jìn)而探針內(nèi)部光場強(qiáng)度略有降低.

圖9 SNOM探針內(nèi)部光場分布(右旋圓偏振,鋁層厚度10 nm)Figure 9 Optical distributions within SNOM probe(circular polarization, Al coating of 10 nm)

圖10給出了鋁膜厚度變化對光場強(qiáng)度的影響,考察對象為圖6曲線上的A點(diǎn)峰值.圖10顯示,圖6曲線中A峰值隨著光纖外層鋁層厚度的增加,先減小后增加,最后保持不變的變化趨勢,其中A峰值先減小后增加的鋁層厚度拐點(diǎn)為5nm,A峰值趨向穩(wěn)定不變的鋁層厚度拐點(diǎn)為50nm.

圖10 不同厚度鋁層情況下,圖6曲線中A峰值的變化情況Figure 10 Variation of intensity of A point in figure 6 with different thickness of Al coating

3 結(jié) 論

本文利用新一代光學(xué)仿真軟件VLF建模仿真,對SNOM光纖探針內(nèi)部光場特性進(jìn)行了深入研究.

由于SNOM的特殊結(jié)構(gòu)所決定,光場與之作用過程非常復(fù)雜,一般情況下無法找到解析解,因而必須使用精確的數(shù)值模擬研究之.要自行編寫精確的電磁場仿真方法對于多數(shù)研究人員過于繁冗,其中需要使用的物理與數(shù)學(xué)方法也相對困難.從文中的分析可以看出,VLF的最大優(yōu)點(diǎn)是它著眼于光學(xué)系統(tǒng)的整體,即每次仿真都是從光源發(fā)光開始,讓所仿真的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬運(yùn)行,進(jìn)而獲得最終的檢測信號.這樣,除了能夠直接研究特定對象的光學(xué)特性之外,還可以探究其他光學(xué)元件參數(shù)變化時(shí)這個(gè)特定對象的光學(xué)特性.這種全局化的統(tǒng)一建模仿真思想為相關(guān)的光學(xué)設(shè)計(jì)和仿真提供了一種嶄新的技術(shù)方案.

(感謝德國WyrowskiPhotonics公司以及訊技光電科技上海有限公司對本文給予的幫助和支持)

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Simulation of optical distribution inside of SNOM optical probes with VirtualLab Fusion

ZHANG Baowu1,3, RAO Penghui2, Francesco Fuso3, HUO Jianfeng1, YU Guiying1, WANG Daodang1
(1.College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China;2.InfoTek Information Science & Technology Co., Inc., Shanghai 200092, China;3.Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, Pisa 56127, Italy)

To study the property of light guiding of SNOM optical probes, a simulation of the optical distribution inside of SNOM optical probes was made with VirtualLab Fusion. The results showed that the optical distribution was stable patterns and had a peak-valley structure along the optical axis inside of the optical probe. The maximum peak was located at 120 nm in front of the exit-end of the probe and varied with the thickness of the aluminum outside of the probe. When the thickness of the aluminum varied, the maximum peak decreased firstly, then increased, and finally kept stable. In addition, the maximum peak had a sine variation with the source polarization.

SNOM; optical probe; VirutalLab Fusion; polarization

2096-2835(2017)01-0017-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.01.003

2016-11-14 《中國計(jì)量大學(xué)學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.11404312),國家留學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.201408330449,201508330071),浙江省“儀器科學(xué)與技術(shù)”重中之重學(xué)科開放基金資助項(xiàng)目(No.JL150508),廣西高校光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開放基金資助項(xiàng)目(No.KFJJ2014-03),廣西自動(dòng)檢測技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開放基金資助項(xiàng)目(No.YQ15204).

張寶武(1978- ),男,山東省平度人,副教授,主要研究方向?yàn)榧す饧夹g(shù).E-mail:zhangbaowu@126.com.

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