[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种使用飞秒激光脉冲照射的裸锥形光纤探针的无孔近场二次谐波显微技术。光纤尖端的增强电场使铁电Pb(Zr_xTi_1-x)O_3薄膜产生局域二次谐波生成（SHG），并由同一根光纤收集SHG信号，首次在SHG显微中实现亚80 nm的空间分辨率，超越衍射极限。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于探测材料局域非线性光学性质的高分辨率光学显微技术。
• 通过近场方法克服二次谐波生成（SHG）显微中的衍射极限。
• 在不使用孔径的情况下，实现对铁电薄膜中畴结构和晶粒结构的纳米尺度成像。
• 研究铁电材料中电场诱导的SHG在纳米尺度下的变化。
• 展示使用裸锥形光纤探针作为近场SHG显微中激发和收集探针的可行性。

提出的方法

• 使用裸锥形光纤探针作为二次谐波生成（SHG）的激发和收集探针。
• 将飞秒激光脉冲聚焦于探针，以激发局域表面等离子体并在探针顶端增强电场。
• 增强的近场激发在探针正上方的样品区域产生二次谐波信号。
• 二次谐波发射由同一根光纤探针收集，从而在无孔配置下实现无背景检测。
• 该技术依赖于光纤尖端的强场增强效应，从而提高近场区域的SHG效率。
• 通过以纳米级精度扫描光纤探针在样品表面，实现SHG的空间测绘。

实验结果

研究问题

• RQ1 无孔近场SHG显微技术能否实现亚衍射极限的空间分辨率？
• RQ2 裸锥形光纤探针上的电场增强如何影响铁电薄膜的二次谐波生成？
• RQ3 在无孔条件下，使用裸光纤探针的SHG显微的空间分辨率极限是多少？
• RQ4 能否分辨由单个铁电畴或晶粒引起的SHG纳米尺度变化？
• RQ5 极化状态的电场诱导变化如何影响局部二次谐波信号？

主要发现

• 在二次谐波显微中实现了约80 nm的空间分辨率，超越了传统衍射极限。
• 该技术实现了对Pb(Zr_xTi_1-x)O_3薄膜中单个铁电畴和晶粒的直接成像。
• 在纳米尺度上观察到电场诱导的SHG强度变化，表明对局域极化状态具有敏感性。
• 使用裸锥形光纤探针可实现SHG信号的高效激发和收集，且无孔径相关损耗。
• 由于无孔配置和近场信号的倏逝特性，该方法实现了无背景检测。
• 通过在模型金属-铁电结构上的测量验证了结果，确认了该技术的可靠性和分辨率。