طراحی نمونه‌بردارهای میدان نزدیک در باند تراهرتز و نوری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیاردانشکده مهندسی برق و کامپیوتر ، پردیس دانشکده های فنی،دانشگاه تهران

2 کارشناسی ارشدمهندسی برق-مخابرات میدان،دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر،پردیس دانشکده های فنی،دانشگاه تهران

چکیده

یکی از محدودیت‌های اساسی در حوزه تصویربرداری تراهرتز و نوری که از ماهیت موجی بودن نور نشات می‌گیرد و با حد تفرق رَلی شناخته می‌شود، وضوح فضایی محدود به نصف طول‌موج است. این وضوح برای مطالعه سلول‌های زیستی، حامل‌های سیار در نانوافزاره‌های نیمه‌هادی، و نیز پدیده‌های انتقال حرارات و تداخل الکترومغناطیسی در مدارهای نانوالکترونیک، البته ناکافی است. در چند دهه اخیر، تلاش‌های فراوانی در معرفی و توسعه تکنیک‌هایی برای غلبه بر این محدودیت پایه‌ای انجام شده است؛ از آن جمله می‌توان به روش‌های مبتنی بر استفاده از میدان نزدیک، که ایده آشکارسازی امواج میراشونده را در میان دارد، اشاره نمود. در اکثر روشهای پیشنهادی از یک ساختار نمونه بردار برای تمرکز میدان در نزدیکی نمونه و تزویج میدان نزدیک (میرا شونده) به میدان تابشی یا هدایت شونده استفاده می شود. در این مقاله، در ابتدا حد تفرق و منشأ نظری آن، ضرورت تصویربرداری میدان نزدیک، امکان دستیابی به وضوح زیر طول‌موجی و عدم مغایرت آن را با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را بطور مختصر مرور می‌کنیم. در ادامه این پژوهش، با تشریح فرایند طراحی سه نوع ساختار بعنوان نمونه‌بردارهای میدان نزدیک، یعنی؛ موجبر تیغه عایقی غیر تابشی، سیم مسی مخروطی با شیارهای متناوب و نمونه بردار مخروطی ساده، قابلیت تصویربرداری آنها با قدرت تفکیک زیر طول موج را در باند تراهرتز و نوری مورد تحقیق قرار می‌دهیم.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Design of Near-field Probes in Terahertz and Optical Band

نویسندگان [English]

  • Mohammad Neshat 1
  • Ahad Mohebbi-Kolvanagh 2
1 University of Tehran
2 University of Tehran
چکیده [English]

One of the fundamental limitations in terahertz and optical imaging, is the spatial resolution limited to half of the wavelength which is caused by the wave nature of light, and is known as the Rayleigh diffraction limit. Such resolution is insufficient for the study of many objects and phenomena including biological cells, mobile carriers in semiconductor nano-devices, as well as heat transfer and electromagnetic interference phenomena in nano-electronic circuits. In recent decades, some efforts have been made to introduce and develop techniques to overcome this limitation, including methods based on using near-field and detecting evanescent waves. In most of the proposed methods, a near-field probe is used to concentrate the field near the sample, and to couple the near-field (evanescent field) into radiation or propagating wave. In this paper, with an emphasis on the fundamental aspects of the near-field technique, we review, investigate, and work on a harmonized set of basic definitions associated with near-field imaging. The diffraction limit and its theoretical origin, the applications of near-field imaging, possibility to achieve sub-wavelength resolution in accordance with Heisenberg uncertainty principle have been explored. Finally, by describing the design process of three near-field imaging probes, their capabilities are investigated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Heisenberg’s uncertainty principle
  • Rayleigh diffraction limit
  • Near-filed
  • imaging
  • Spoof surface plasmon polariton modes
[1] Bitzer, Andreas, and Markus Walther. "Terahertz near-field imaging of metallic subwavelength holes and hole arrays." Applied Physics Letters 92.23 (2008): 231101.
[2] Cocker, Tyler L., et al. "An ultrafast terahertz scanning tunnelling microscope." Nature Photonics 7.8 (2013): 620-625.
[3] Huber, Andreas J., et al. "Terahertz near-field nanoscopy of mobile carriers in single semiconductor nanodevices." Nano letters 8.11 (2008): 3766-3770.
[4] Dong, X., et al. "Analysis of chip-level EMI using near-field magnetic scanning." Electromagnetic Compatibility, 2004. EMC 2004. 2004 International Symposium on. Vol. 1. IEEE, 2004.
[5] Bitzer, Andreas, Alex Ortner, and Markus Walther. "Terahertz near-field microscopy with subwavelength spatial resolution based on photoconductive antennas." Applied optics 49.19 (2010): E1-E6.
[6] Chiu, Chui-Min, et al. "All-terahertz fiberscanning near-field microscopy." Opticsy
[7] Chakkittakandy, Reshmi, Jos AWM Corver, and Paul Planken. "Terahertz spectroscopy to identify the polymorphs in freeze‐dried mannitol." Journal of pharmaceutical sciences 99.2 (2010): 932-940. [8] Song, Bai, et al. "Enhancement of near-field radiative heat transfer using polar dielectric thin films." Nature nanotechnology 10.3 (2015): 253-258. [9] Abbe, Ernst. "Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung." Archiv für mikroskopische Anatomie 9.1 (1873): 413-418.
[10] Novotny, Lukas. "The history of near-field optics." Progress in optics 50 (2007): 137.
[11] Schmidt, S., et al. "Image formation properties and inverse imaging problem in aperture based scanning near field optical microscopy." Optics express 24.4 (2016): 4128-4142.
[12] Ishihara, Kunihiko, et al. "Terahertz-wave near-field imaging with subwavelength resolution using surface-wave-assisted bow-tie aperture." Applied physics letters 89.20 (2006): 201120.
[13] Awad, M. M., and R. A. Cheville. "Transmission terahertz waveguide-based imaging below the diffraction limit." Applied Physics Letters 86.22 (2005): 221107.
[14] Wang, Le, and Xiaoji G. Xu. "Scattering-type scanning near-field optical microscopy with reconstruction of vertical interaction." Nature communications 6 (2015).
[15] Zhou, Nan, Yan Li, and Xianfan Xu. "Resolving near-field from high order signals
of scattering near-field scanning optical microscopy." Optics express 22.15 (2014): 18715-18723. [16] Greffet, Jean-Jacques, and Rémi Carminati. "Image formation in near-field optics." Progress in surface science 56.3 (1997): 133-237.
[17] Bozzi, Maurizio, et al. "Analysis of NRD components via the order-reduced volume-integral-equation method combined with the tracking of the matrix eigenvalues." Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on 54.1 (2006): 339-347. [18] Beuerle, Bernhard. "Non-Radiating Waveguide with High Permittivity Dielectric and Antennas Based On It." (2010).
[19] Hor, Yew Li, Er P. Li, and Wolfgang JR Hoefer. "Near-field to far-field subwavelength imaging using Non-radiative Dielectric Waveguide probe." Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2012 37th International Conference on. IEEE, 2012. [20] Fernandez-Dominguez, A. I., et al. "Spoof surface plasmon polariton modes propagating along periodically corrugated wires." Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of 14.6 (2008): 1515-1521.