میکروسکوپ نوری نزدیک میدان مبتنی بر آنتن و طیف‌سنجی از زمینه نوری افزایش یافته به‌صورت محلی برای ایجاد نزدیکی نانوساختارهای فلزی-لیزر به عنوان prob محلی استفاده می‌کند. با استفاده از شبیه‌سازی سه بُعدی بر اساس روش عنصر محدود، به مطالعه میدان‌های الکترومغناطیسی نزدیک آنتن مختلف نوری می‌پردازیم و توپولوژی آن را به منظور استخراج یک بهبود قوی در یک محدوده فرکانس انتخاب‌شده، بهینه‌سازی می‌کنیم. نتایج ما دستورالعمل روشنی برای ساخت کارآمد ساختار آنتن و برای بهبود حساسیت طرح میکروسکوپ نزدیک میدان ارائه می‌کند.
1. معرفی
آنتن‌ها قطعاتی برای دریافت و انتقال امواج الکترومغناطیسی هستند. درحالی‌که آنتن‌ها دستگاه‌های اولیه در برنامه‌های کاربردی فرکانس رادیویی برای مدت طولانی هستند، مفهوم آنتن نوری نسبتاً جدید است. به‌طور یکسان، آنتن‌های نوری اجزای طراحی شده برای انتقال سیگنال‌های بهینه‌ی نوری هستند. محدوده‌ی کاربرد سیگنال جایی است که در آن آنتن نوری به‌احتمال زیاد به عنوان امواج رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرد. پیش از این یک منطقه کاربردی ایجاد شده برای آنتن نوری، میکروسکوپ نوری نزدیک میدان و طیف‌سنجی است. بنابراین آنتن به‌طور موثر انرژی یک موج الکترومغناطیسی را به انرژی موضعی تبدیل می‌کند. مفهوم آنتن نه تنها برای افزایش قدرت سیگنال و حل دوباره‌ی آن استفاده شده است بلکه برای نفوذ نرخ واپاشی تابشمولکول‌ها نیز استفاده شده است. در مرور اجمالی میکروسکوپ نوری نزدیک میدان (SNOM)، آنتن‌های نوری اغلب شامل نوک برش فلز هستند، که توسط یک پرتو لیزی مشخص می‌شوند. نوک به انرژی پرتو لیزر ورودی متمرکز شده است درحالی‌که نور به یک منطقه بسیار موضعی که ابعاد آن اساساً توسط هوشیاری از نوک (در حال حاضر پایین تر از 10 نانومتر) تعریف شده است تمرکز دارد. سپس اثرات فیزیکی چند برابر می‌شود و اغلب تعیین آن سخت است: اثرات ثابت مانند اثر رعدوبرق و همچنین اثرات پویا مانند سطح پلاسمون پلاریتون (SPP). برای مثال، با توجه به اثر رعدوبرق، هر هندسه تیز باید به عملکرد بالایی در الکتریسیته دست یابد، اما در عمل تنها نیمی از راهنمایی‌ها افزایش خوب میدان الکتریکی را نشان می‌دهد حتی اگر آن‌ها به همان اندازه تند باشند. به‌علاوه، افزایش زمینه بستگی به محیط محلی، در شکل نوک و همچنین در آزمایش (شرایط نور) دارد. اخیراً تنها آزمایش‌های فلورسانس مولکول این چالش‌ها را نشان داده‌اند: راهنمایی‌های طلایی برای افزایش فلورسانس ضعیف به دلیل اثر غالب رفع فلورسانس در فواصل کوتاه یافت شده است. یک آنتن نوری خوب قادر به افزایش یک میدان محلی قوی و انرژی پراکندگی پایین است. اخیراً، آنتن نوری خوب برای کاربردهای فلورسانس توسط ذرات کلوئیدی طلا متصل به الیاف شیشه ارائه‌شده است. اما محلی‌سازی و توان افزایش زمینه در حد متوسط است. Anger و همکارانش وابستگی کل فلورسانس را در بررسی فاصله‌ی مولکول اندازه‌گیری کردند. همان‌گونه که مولکول فاصله کاهش می‌یابد، ابتدا نرخ فلورسانس با توجه به افزایش تأثیر زمینه افزایش می‌یابد و پس از آن، در فواصل کوچک‌تر از 5 نانومتر، قطره‌ها به دلیل انرژی غیرتابشی به ذره انتقال می‌یابند. برای بهبود افزایش میدان، spheroids یا Nanorods می‌تواند استفاده شود. همان‌گونه که بعدا نشان خواهیم داد، nanorod مانند آنتن دو قطبی شناخته شده از تئوری آنتن کلاسیک عمل می‌کند. بااین‌حال، در فرکانسهای نوری، خواص فلزات تفاوت قابل توجهی با رفتار آن‌ها در امواج رادیو یا مایکرو پیدا می‌کند. علاوه بر تشخیص با واکنش‌های آنی به حرکت میدان خارجی الکترون‌ها در فلز مانند یک پلاسما محدود توسط توپولوژی خاصی رفتار می‌کند. در نتیجه، رزونانس یک آنتن نوری ساخته شده از فلزات واقعی، انتقال سریع با توجه به تشدید یک فلز کامل دارد. Muhlschlegal و همکارانش تشدید طلا دو قطبی در آنتن‌ها را مورد بررسی قرار داده‌اند. طول آنتن در رزونانس به گونه چشمگیری کمتر از نیمی از تحریک طول موج است. میدان قوی را می‌توان در فاصله آنتن دو قطبی یافت. ساختار آنتن مشابه آنتن bow-tie است، که اخیراً توسط Schuck همکارانش مورد مطالعه قرار گرفته است. لبه‌های تیز منجر به نور بهتر در مرکز ساختار می‌شود. ساختار مشابه با یک لیزر دیود تجاری توسط Cubukcu و همکارانش یکپارچه شده است. اگرچه برای SNOM یک آنتن مورد نیاز است، که در آن حداکثر میدان الکتریکی در راس یک پروب نوری واقع شده باشد. با استفاده از این محدودیت، استراتژی‌های مختلف برای رسیدن به یک میدان قوی محلی را بررسی می‌کنیم. همه‌ی شبیه‌سازی‌ها و نتایج ارائه‌شده در این مقاله با استفاده از COMSOL چند فیزیکی، یک ابزار بر اساس روش المان محدود (FEM)، انجام شده است.
این مقاله در نشریه Ingentaconnect منتشر شده و ترجمه آن با عنوان آنتن نوری در سایت ای ترجمه به صورت رایگان قابل دانلود می باشد. جهت دانلود رایگان مقاله فارسی و انگلیسی روی عنوان فارسی (آبی رنگ) کلیک نمایید.
منبع:
