VirtualLab Fusion对SNOM光纤探针内部光场分布的仿真

张宝武,饶鹏辉,Francesco Fuso,霍剑锋,余桂英,王道档

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;2.讯技光电科技(上海)有限公司,上海 200092;3.比萨大学 物理系,比萨 意大利 56127)

VirtualLab Fusion对SNOM光纤探针内部光场分布的仿真

张宝武1,3,饶鹏辉2,Francesco Fuso3,霍剑锋1,余桂英1,王道档1

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;2.讯技光电科技(上海)有限公司,上海 200092;3.比萨大学 物理系,比萨 意大利 56127)

为了深入研究扫描近场光学显微镜(Scanning near-field optical microscope, SNOM)光纤探针导光特性,我们利用VirtualLab Fusion光学软件,仿真研究了光纤探针内部的光场分布.结果显示，光纤探针内部的光场分布呈固定的花样;中轴线光场具有峰值结构,其最大值位于探针出口前120 nm处;这个最大峰值随着光纤外层铝层厚度的增加呈现先减小后增加,最后趋于稳定的变化,随着光源偏振态的变化呈现正弦的分布.

扫描近场光学显微镜;光纤探针;VirutalLab Fusion软件;偏振态

SNOM[1-5]因为能够突破衍射极限,能够获得高分辨率光学图像,能够实现超高密度光学信息储存,且具有非接触和快速成像等特点,所以在凝聚态物理、生命科学、化学、材料科学和信息产业中有着极为广泛的应用[6-10].亚微米尺度取样探针是SNOM的关键部件,是SNOM成像的信息源头,它的质量高低直接决定着SNOM的分辨率、灵敏度和传输效率.因此,探针的光机电特性和制作工艺一直是SNOM领域的研究重点.为了解决探针小直径和大光能之间的矛盾,研究者从不同角度对探针中的光能传输、能量对比和光束形状等方面进行了深入的研究.例如,Novotny等人[11]用多重多极子方法计算了二维探针的场分布,Leviatan等人[12]研究了无限大良导体平板上的小孔衍射近场结构,周庆等人[13]用时域有限差分法计算了光纤探针的场分布.这些方法确实可以探究探头对光场的作用,但是它们普遍存在理论深奥、难度大、程序复杂、工作量大,且不适于探头的快速设计等问题.

本文以文献[13]所述探针模型为对象,利用VirtualLab Fusion(VLF)软件,仿真研究了SNOM光纤探头内部的光场特性,内容涉及探针内部场分布,入射光偏振性对光场分布的影响,铝层镀膜厚度对光场分布的影响等.研究结果显示,VLF可以对光学系统实现快速建模,减轻仿真工作量,且具有整体虚拟运行的特点.探针内部光场的仿真结果更加丰富了探针内部光场分布信息.

1 SNOM光纤探针的VLF建模

1.1 VLF建模依据

VLF[14]是一款基于场追迹理论的模块化光学建模软件,其建模与分析主要涉及光源、各光学元件和探测器,以及各部分之间传播介质和方式.其中,光源是以光场的电磁学描述方式来表达;光学元件以输入和输出面,以及两面之间填充介质的方式来表达;探测器是以矢量场分析的方式来表达.从光源到光学元件再到探测器之间的光路传播是以麦克斯韦方程组的场矢量传播规律来实现.

图1 VLF的光学元件光场输入输出模型[14]Figure 1 In-out model of optical field within VLF

1.2 光纤探针建模

图2为SNOM光纤探针结构[13],其中探针的长度为H=600nm,探针入口处孔径为Φ1=700nm,探针出口处孔径为Φ2=100nm,光纤的介电常数为ε=2.25,光纤外层所镀铝层的厚度T=80nm,入射激光沿着z轴在探针中传播,波长为500nm,沿y方向偏振.

图2 用于仿真的SNOM光纤探针结构[13]Figure 2 Model of SNOM optical fiber for simulation

图2探针在VLF中的建模过程如下.选择一个光纤模块,按照图2结构将此光纤模块设置成三层结构:内部纤芯是能够传输波长为500nm,折射率为1.462 3的熔融石英;中间一层是对应波长为500nm,折射率为0.77,厚度为80nm的铝膜;最外层为空气.探针的最终建模结构如图3.

图3 SNOM光纤探针在VLF中的模型Figure 3 Model of SNOM optical fiber within VLF

探针建模结束后,分别拖拽光源和虚拟探测器至VLF的工作窗口中,与探针模块进行连接,构成仿真光路,如图4.其中,高斯光源发出的光经过SNOM光纤探头以后,被虚拟探测器所接受.光源波长设置为500nm,偏振为y方向.各元件之间的相对距离都设置为零.这里需要指出的是,VLF使用了傅里叶模态法(FourierModalMethod,FMM)来求解从光源到探测器的电磁场传播过程,即图4中的FMM分析器.FMM本身就是光纤建模的一种方法,原本是用来精确模拟周期性结构的方法.本文所仿真的光纤探针虽然不是周期性的,但是鉴于其微小的结构特点,我们首先在FMM模拟中设置大周期来实现周期性结构分析,然后在结算结果中通过软件自动选取局部放大后,实现对非周期性结构的精确模拟.

图4 VLF仿真SNOM光纤探针的光路Figure 4 Optical setup for simulation of SNOM probe with VLF

从上面的建模过程可以看出,VLF中每一个光学元件都是一个基于电磁场的程序模块,每个光学元件通过材料拼接、面型设置和尺寸设置的方式来完成,用户通过拖拽的方式在完成虚拟光学系统的流程图.这样的结果就减轻了用户在电磁场理论推导和仿真程序编写等方面的工作量.另外,图4还显示,VLF将探针和一个光源连接起来,使考察对象的信号来源不再孤立,实现了一种全局虚拟仪器的概念.这样,探针结构对光场的传导特性可以通过改变光源特性来考察.

2 SNOM光纤探针的VLF仿真

2.1 探针内部光场分布

图5给出了探针内部光场强度分布,a,b,c分别为电场三个分量的分布情况,单位为(V/m)2;a′,b′,c′分别为磁场三个分量的分布情况,磁场单位为(A/m)2;电场矢量沿y方向.图5显示,xoz界面内只存在y方向的电场分量,其强度分布呈现离散型局域化特征;电场的其他两个分量都为零.与此对应,xoz平面内则缺失y方向的磁场分量,而其他两个分量同样呈现离散型局域化特征.图5(b)沿x=0这条线,即探针沿z方向中轴线方向上的强度分布如图6.图6显示,探针内部中轴线上的光强分布具有峰值结构,其最大值(A所示位置)在探头出口前120nm的位置处.

图5 SNOM探针内部光场分布(y方向偏振)Figure 5 Optical distributions within SNOM probe(y polarization)

图6 探针内部沿轴线上的光场分布Figure 6 Optical distribution along the axis within the probe

2.2 入射光偏振对光场分布的影响

图7给出光源为x方向偏振时探针内部光场分布情况.其中,电场单位为(V/m),磁场单位为(T);a,b,c分别为电场三个分量的分布情况;000a′,b′,c′分别为磁场三个分量的分布情况.和图5相比,图7正好相反:xoz平面内至缺失y方向的电场分量而存在其他两个方向的分量;xoz平面内只存在y方向的磁场分量而缺失其他两个方向的分量.另外,图7的光场分布虽然具有离散型局域化特征,但是和图5具有完全不同的分布.由此可知,当光源的偏振性发生变化时,探针内部光场分布结构也将随之发生变化,如图8.其中,光源电场矢量经历了从x方向经历360°变化后重新回到x方向的变化过程,考察对象为图6曲线上的A点峰值.

图7 SNOM探针内部光场分布(x方向偏振)Figure 7 Optical distributions within SNOM probe(x polarization)

图8 光源电场矢量与x方向夹角变化时探针内部光场的变化曲线Figure 8 Variation of optical distribution within SNOM with the angle between electric field vector and x direction

图8显示,随着光源电场矢量相对于x方向角度的变化,A点峰值强度呈现正弦型的变化趋势,并且每当电场矢量和x方向相差90°,即电场矢量在y方向上时,A点就会出现一个最大值.另外,由于线偏振态是一种特殊情况下的椭圆偏振态,所以图8的曲线也是椭圆偏振态光源情况下光纤探针内部光场分布随偏振态的变化状态.

2.3 不同厚度铝层对探针内部光场的影响

图9为x偏振光情况下,光纤外层铝层厚度为10nm时的光场分布.其中a,b,c分别为电场三个分量的分布情况;a′,b′,c′分别为磁场三个分量的分布情况.和图5对比,图9显示因为铝层厚度的减小,电场和磁场在x,y和z三个方向上都会泄露到探针外部,进而探针内部光场强度略有降低.

图9 SNOM探针内部光场分布(右旋圆偏振,铝层厚度10 nm)Figure 9 Optical distributions within SNOM probe(circular polarization, Al coating of 10 nm)

图10给出了铝膜厚度变化对光场强度的影响,考察对象为图6曲线上的A点峰值.图10显示,图6曲线中A峰值随着光纤外层铝层厚度的增加,先减小后增加,最后保持不变的变化趋势,其中A峰值先减小后增加的铝层厚度拐点为5nm,A峰值趋向稳定不变的铝层厚度拐点为50nm.

图10 不同厚度铝层情况下,图6曲线中A峰值的变化情况Figure 10 Variation of intensity of A point in figure 6 with different thickness of Al coating

3 结 论

本文利用新一代光学仿真软件VLF建模仿真,对SNOM光纤探针内部光场特性进行了深入研究.

由于SNOM的特殊结构所决定,光场与之作用过程非常复杂,一般情况下无法找到解析解,因而必须使用精确的数值模拟研究之.要自行编写精确的电磁场仿真方法对于多数研究人员过于繁冗,其中需要使用的物理与数学方法也相对困难.从文中的分析可以看出,VLF的最大优点是它着眼于光学系统的整体,即每次仿真都是从光源发光开始,让所仿真的光学系统进行虚拟运行,进而获得最终的检测信号.这样,除了能够直接研究特定对象的光学特性之外,还可以探究其他光学元件参数变化时这个特定对象的光学特性.这种全局化的统一建模仿真思想为相关的光学设计和仿真提供了一种崭新的技术方案.

(感谢德国WyrowskiPhotonics公司以及讯技光电科技上海有限公司对本文给予的帮助和支持)

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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 《中国计量大学学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

国家自然科学基金资助项目(No.11404312),国家留学基金资助项目(No.201408330449,201508330071),浙江省“仪器科学与技术”重中之重学科开放基金资助项目(No.JL150508),广西高校光电信息处理重点实验开放基金资助项目(No.KFJJ2014-03),广西自动检测技术与仪器重点实验开放基金资助项目(No.YQ15204).

张宝武(1978- ),男,山东省平度人,副教授,主要研究方向为激光技术.E-mail:zhangbaowu@126.com.

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