[論文レビュー] Apertureless Near-Field Second Harmonic Microscopy with Bare Tapered Optical Fiber Tips

Igor I. Smolyaninov, H. Y. Liang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 1999

Near-Field Optical Microscopy被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、フェムト秒レーザーパulsesで照射された裸の傾斜付き光ファイバーティップを用いたアパーチャレス近場第二高調波顕微鏡技術を提案する。ファイバーティップ先端での電場強化により、鉛ジルコン酸チタン系(Pb(Zr_xTi_1-x)O_3)フェロエレクトリック薄膜からの局所的第二高調波生成(SHG)が可能となり、同じファイバーでSHGを収集することで、80 nm未満の空間分解能を達成した。これは、SHG顕微鏡において初めて回折限界を超えた。

ABSTRACT

We present a near-field optical technique for second harmonic imaging using bare tapered optical fiber tip illuminated with femtosecond laser pulses. Enhancement of electric field at the tip of the fiber results in enhanced second harmonic generation (SHG) from the sample region near the tip. This SH emission is collected by the same tapered fiber. Spatial distribution of SHG from thin ferroelectric Pb(Zr_xTi_1-x)O_3 films and model metal-ferroelectric devices has been studied. Spatial resolution on the order of 80 nm has been achieved. This is the first time diffraction limit is surpassed in SH microscopic measurements. Electric field induced changes in SHG from individual grains and/or domains of ferroelectric thin films have been observed.

研究の動機と目的

• 材料の局所的非線形光学的性質をプローブする高分解能光学顕微鏡技術の開発。
• 近場アプローチを用いて第二高調波生成(SHG)顕微鏡における回折限界を克服すること。
• アパーチャを使用しないで、薄膜内のフェロエレクトリックドメインや結晶粒構造をナノスケールでイメージング可能にする。
• フェロエレクトリック材料におけるナノスケールでの電場誘起SHG変化を調査すること。
• 裸の傾斜付き光ファイバーティップを近場SHG顕微鏡における励起および信号収集プローブとして使用する可能性を実証すること。

提案手法

• 第二高調波生成(SHG)の励起および信号収集プローブとして、裸の傾斜付き光ファイバーティップが使用された。
• フェムト秒レーザーパulsesをティップに焦点合わせることで、局所的表面プラズモンが励起され、ティップ先端での電場が強化された。
• 強化された近場励起により、ティップの直近のサンプル領域からの第二高調波信号が生成された。
• 第二高調波放射は同じファイバーティップによって収集され、アパーチャレス構成によるバックグラウンドフリー検出が実現された。
• この技術は、ファイバーの鋭い先端における強い電場強化に依存しており、近場領域でのSHG効率を向上させた。
• ナノメートルスケールの精度でファイバーティップをサンプル表面に走査することで、SHGの空間マッピングが達成された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アパーチャレス近場SHG顕微鏡技術は、回折限界を下回る空間分解能を達成できるか？
• RQ2 裸の傾斜付きファイバーティップにおける電場強化は、フェロエレクトリック薄膜からの第二高調波生成にどのように影響するか？
• RQ3 アパーチャなしで、裸のファイバーティップを用いたSHG顕微鏡の空間分解能の限界は何か？
• RQ4 個々のフェロエレクトリックドメインや結晶粒に起因するSHGのナノスケール変動を解像できるか？
• RQ5 極性の電場誘起変化が、局所的第二高調波信号にどのように影響するか？

主な発見

• 第二高調波顕微鏡において約80 nmの空間分解能が達成され、従来の回折限界を上回った。
• 本技術により、Pb(Zr_xTi_1-x)O_3薄膜内の個々のフェロエレクトリックドメインや結晶粒の直接イメージングが可能になった。
• ナノスケールで電場誘起SHG強度の変化が観察され、局所的分極状態に敏感であることが示された。
• 裸の傾斜付きファイバーティップの使用により、アパーチャに起因する損失なしに効率的なSHG励起および信号収集が可能になった。
• アパーチャレス構成と近場信号の減衰波的性質のおかげで、バックグラウンドフリー検出が実現した。
• モデル金属-フェロエレクトリック構造の測定を通じて、本技術の信頼性と分解能が検証された。