Изменение характеристик фемтосекундного лазерного импульса при прохождении зонда апертурного микроскопа ближнего поля Айбушев А. ИХФ РАН, Москва Лозовик Ю.Е. ,ИСАН, Троицк Саркисов О.М ИХФ РАН,Москва Сочетание Фемтосекундной спектроскопии и Ближнепольной микроскопии -высокое временное разрешение -высокое пространственное разрешение - Динамика ЕДИНИЧНЫХ молекул - Когерентный контроль (управление) Цель Работы Изучить прохождение фемтосекундного импульса в зонде апертурного микроскопа ближнего поля -Длительность импульса - Поляризация -Фазовые характеристики - Метод расчета, геометрия, - Расчеты - Заключение параметры импульса Поля в волноводе Для идеального покрытия c c ikz H z iq Ae ikz J 0 (qr ); H r k Ae J 1 (qr ) E Aeikz J1 (qr ) 3.831 2 q k 0 2 q2 c a e kz z . Поля в зонде микроскопа Ey Ex (нач. поляризация) Ez К чему приводит эффект волновода (cut-off) в случае импульса FDTD FDTD –Finite Difference Time Domain– решение зависящих от времени уравнений Максвелла в конечных разностях Yee lattice 1 1 1 1 H xn 1/ 2 (i, j , k ) H xn 1/ 2 (i, j , k ) 2 2 2 2 1 1 n E y (i, j , k 1) E yn (i, j , k ) t 2 2 1 1 n 1 1 n (i, j , k ) Ez (i, j, k ) Ez (i, j 1, k ) 2 2 2 2 1 1 Exn1 (i , j, k ) Exn (i , j, k ) 2 2 1 1 1 n1/ 2 1 n 1/ 2 H ( i , j , k ) H ( i , j , k ) x x t 2 2 2 2 1 1 1 1 1 n 1 / 2 n 1 / 2 (i , j, k ) H y (i , j, k ) H x (i , j, k ) 2 2 2 2 2 PML –Граничные условия PML – Создает искусственную среду на границах расчетной области волновой импеданс которой не зависит от угла падения волны Exy: Ex 0 Exz: Hxy: 0 Hx Hxz: i 0 0 * i 0 Как изменяется проводимость: 1) (depth) max ( 2) (depth) 0 g 0 depth depth )n E xy t y E xy ( H zx H zy ) E xz z E xz t H xy t z y H xy * H xz * z H xz t Отражение: 2 max ( n 1) 0 c R (0) e y ( H yx H yz ) ( E zx E zy ) y ( E yx E yz ) z На практике: R(0) 1% 10 30layers n 2( parabolic) Реализация модели Друде в FDTD Rose M.Joseph (1991) D( ) ( ) E ( ) f (t ) Модель Друде f ( )exp(it )d p2 p2 m m i m 1 2 2 i ( 2 2 ) 2 D(t ) D(t ) 2 E (t ) E (t ) 2 ( 0 p E (t )) 2 2 t t t t Геометрия зонда микроскопа ближнего поля Волокно: n1 = 1.458 n2 = 1.453 Металлическое покрытие (Al, Ag) Диаметр апертуры d: 80нм Лазерный импульс на входе в зонд микроскопа 2c / (t t 0 ) 2 2 E E0 exp( ) sin( t t ) 2 2 d d t 0 10 fs 500nm d 5 fs Длительность импульса и временной чирп 2 d t 2 t 2 t 2 2 E ( t ) t dt E(t )dt E (t )tdt t E (t )dt 0 2 Программа Написана и оттестирована параллельная программа. Все расчеты были выполнены в суперкомпьютерном центре РАН. В среднем для одного расчета подобной задачи понадобилось 20 узлов (при счете несколько часов) Поля за апертурой Ex amplitude after aperture d=80nm (Initial Polarization) Field Value 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 50 100 150 200 250 300 Distance from aperture,nm Ez amplitude after aperture d=80nm 0.3 1 0.25 0.8 Field Value Field Value Ey amplitude after aperture d=80nm 0.2 0.15 0.1 0.6 0.4 0.2 0.05 0 0 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 Distance from aperture,nm Distance from aperture,nm Ближнее поле остается! 250 300 Дисперсия алюминия Aluminium Dispersion 1. Длина волны– в видимом диапазоне. 180 Epsilon (Im Part) 160 2. Длительность импульса >~10fs 140 120 Pulse Spectrum (Duration =10fs) 100 80 1.00 60 0.80 40 0.60 0.40 20 0.20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 0.00 0 WaveLength.nm 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 2000 2200 Wavelength.nm Aluminium Dispersion 0 200 Epsilon (Real Part) Нет необходимости в использовании более точных моделей (Drude-Lorentz) 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2400 -100 -200 -300 -400 -500 -600 -700 Wavelenght,nm www.sopra-sa.com/more/database.asp Поверхностные плазмон-поляритоны Surface plasmons dispersion for Ag (Eps_diel=2.1) kSP ( ) k0 4.0 3.0 Dielectric 2.0 Surface plasmons Me ( ) Diel c Me ( ) Diel 0.0 15 30 45 60 75 90 105 Me ( ) Diel Me ( ) Diel 1.0 120 Re(k) Surface plasmons dispersion for Al (Eps_diel=2.1) kDiel ( ) Diel c 5.0 Frequency*1E15 Frequency*1E15 5.0 4.0 3.0 Dielectric 2.0 Surface plasmons 1.0 0.0 15 30 45 Re(k) 60 75 Поля в апертуре d=80nm, chirp alpha=0 Алюминий Серебро Ex (init polarized) in aperture: d = 80nm, alpha = 0 Silver:Ex (init polarized) in aperture: d=80nm,alpha=0 0.4 0.2 0 -0.2 0 0.2 0.1 5 10 15 20 25 30 35 40 E(t) E(t) 0.8 0.6 0 -0.1 0 -0.4 -0.6 -0.8 20 -0.2 time.fs time.fs Ey in aperture: d = 80nm, alpha = 0 Silver:Ey in aperture: d=80nm,alpha=0 0.3 0.2 E(t) E(t) 0.1 0 -0.1 0 40 5 10 15 20 -0.2 -0.3 time.fs 25 30 35 40 0.15 0.1 0.05 0 -0.05 0 -0.1 -0.15 20 40 time.fs Поля в апертуре d=80nm, chirp alpha=0 Серебро Алюминий Ez in aperture: d = 80nm, alpha = 0 Silver:Ez in aperture: d=80nm,alpha=0 0.8 0.15 0.1 0.05 0.2 0 -0.2 0 -0.4 E(t) E(t) 0.6 0.4 5 10 15 20 25 30 35 40 0 -0.05 0 20 40 -0.1 -0.6 -0.8 -0.15 time.fs time.fs Поля в апертуре d=80nm, chirp alpha=2 Ey in aperture: d = 80nm, alpha = 2 0.25 0.2 0.15 0.1 E(t) Ex (init polarized) in aperture: d = 80nm, alpha = 2 0.05 0 -0.05 0 0.4 -0.1 -0.15 0.3 -0.2 -0.25 5 10 15 0.2 20 25 30 35 40 30 35 40 time.fs 0 -0.1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ez in aperture: d = 80nm, alpha = 2 -0.2 -0.3 0.4 -0.4 0.3 time.fs 0.2 0.1 E(t) E(t) 0.1 0 -0.1 0 5 10 15 20 -0.2 -0.3 -0.4 time.fs 25 Спектры в апертуре d=80nm,chirp alpha=2 Spectrum of the field Ey in aperture : d=80nm, alpha =2 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 200 Spectrum of the field Ex in aperture : d=80nm, alpha =2 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 200 300 400 500 600 700 800 900 800 900 Wavelength.nm Spectrum of the field Ez in aperture : d=80nm, alpha =2 300 400 500 600 Wavelength.nm 700 800 900 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 200 300 400 500 600 Wavelength.nm 700 Поля в апертуре d=80nm, chirp alpha=-2 Ey in aperture: d = 80nm, alpha = -2 0.4 E(t) 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 0 -0.2 Ex (init polarized) in aperture: d = 80nm, alpha = -2 5 10 15 20 25 30 35 40 35 40 -0.3 -0.4 1 time.fs 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Ez in aperture: d = 80nm, alpha = -2 -0.5 1 -1 time.fs 0.5 E(t) E(t) 0.5 0 0 5 10 15 20 -0.5 -1 time.fs 25 30 Спектры в апертуре d=80nm,chirp alpha=-2 Spectrum of the field Ey in aperture : d=80nm, alpha =-2 0.50 0.40 0.30 0.20 Spectrum of the field Ex in aperture : d=80nm, alpha =-2 0.10 0.00 400 500 600 700 1.00 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Wavelength.nm 0.80 0.60 0.40 Spectrum of the field Ez in aperture : d=80nm, alpha =-2 0.20 0.00 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Wavelength.nm 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Wavelength.nm Искусственный материал: Re( ) 6, Im( ) 0.772 500nm при Ey in aperture: d=80nm,alpha=0 0.1 E(t) 0.05 0 -0.05 0 10 20 30 40 50 -0.1 Ex (init polarized) in aperture: d=80nm,alpha=0 time.fs 0.4 Ez in aperture: d=80nm,alpha=0 0 -0.2 0 10 20 30 40 50 0.1 -0.4 time.fs 0.05 E(t) E(t) 0.2 0 -0.05 0 10 20 30 -0.1 time.fs 40 50 Surface plasmons dispersion in dependence of gamma kSP ( ) k0 Frequency 5.00E+15 4.00E+15 Dielectric 3.00E+15 Ag 2.00E+15 5Gamma(Ag) 1.00E+15 10Gamma(Ag) c Me ( ) Diel Me ( ) Diel Me ( ) Diel Me ( ) Diel 0.00E+00 15 45 75 105 Re(k) Surface plasmons dispersion in dependence of plasma frequency m m i m p2 1 2 i 2 ( 2 2 ) Frequency p2 5.00E+15 4.00E+15 Dielectric 3.00E+15 Ag 2.00E+15 2PF(Ag) 1.00E+15 6PF(Ag) 0.00E+00 15 35 55 Re(k) 75 95 Зависимость полей в апертуре от фактора Ex (init porized) in aperture 80 nm, Gamma=10Gamma(Ag) E(t) Ex Ex (init porized) in aperture 80 nm, Gamma=5Gamma(Ag) 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 0 -0.2 -0.3 -0.4 10 20 30 40 50 40 50 time.fs 0.3 0.2 Ex (init porized) in aperture 80 nm, Gamma=20Gamma(Ag) 0 -0.1 0 10 20 30 40 50 -0.2 0.4 -0.3 0.2 time.fs E(t) E(t) 0.1 0 0 10 20 30 -0.2 -0.4 time.fs Зависимость полей в апертуре от фактора Ey in aperture 80 nm, Gamma=10Gamma(Ag) Ey 0.04 0.02 E(t) Ey in aperture 80 nm, Gamma=5Gamma(Ag) 0 -0.02 0 10 20 30 40 50 -0.04 0.05 0 0 10 20 30 40 50 Ey in aperture 80 nm, Gamma=20Gamma(Ag) -0.05 time.fs 0.04 0.02 E(t) E(t) time.fs 0 -0.02 0 10 20 30 -0.04 time.fs 40 50 Зависимость полей в апертуре от фактора Ez in aperture 80 nm, Gamma=10Gamma(Ag) Ez 0.2 E(t) 0.1 Ez in aperture 80 nm, Gamma=5Gamma(Ag) 0 -0.1 0 10 20 30 40 50 40 50 -0.2 0.2 time.fs 0 -0.1 0 10 20 30 40 50 Ez in aperture 80 nm, Gamma=20Gamma(Ag) -0.2 time.fs 0.2 0.1 E(t) E(t) 0.1 0 -0.1 0 10 20 30 -0.2 time.fs Выводы: 1.Произведенные вычисления ясно показывают, что в случае алюминиевого покрытия зонда при разных фазовых характеристиках исходного импульса, ближнее поле в апертуре претерпевает, в основном, изменения, связанные с поляризацией. Длительность импульса и его фазовые характеристики не изменяются. Поляризация в ближнем поле не зависит от начальных фазовых характеристик. Этот результат позволяет использовать алюминий в качестве покрытия зондов микроскопов ближнего поля. 2. В случае серебряного покрытия изменяется как эффективная длительность импульса (увеличивается), так и поляризация. 3. Как показали расчеты, для искусственных покрытий зондов, поляризация импульса в ближней зоне является сложной функцией диэлектрической проницаемости. Однако, все расчеты показали, что при увеличении мнимой и действительной части диэлектрической функции искусственного металла, в ближнем поле выделяется та компонента поля, вдоль которой импульс был изначально поляризован.