I laser supercontinui e la microscopia come strumento per la caratterizzazione ottica dei dispositivi

La caratterizzazione ottica con i laser supercontinui consente di misurare i parametri fondamentali di diversi materiali, un requisito fondamentale per lo sviluppo e le corrette prestazioni dei dispositivi ottici.

Sfruttano la proprietà dei materiali che consiste nel fatto che ogni molecola ha le proprie linee di assorbimento ed emissione, che dipendono dalla struttura elettronica di un materiale. Ciò significa che, affinché una certa molecola venga eccitata o emetta luce (cioè subisca una transizione), è necessaria una luce in entrata con un'energia e una lunghezza d'onda specifiche. Questa energia deve corrispondere alla differenza energetica tra lo stato eccitato e quello inferiore all'interno degli atomi. 

Tecniche di microscopia per la caratterizzazione ottica dei dispositivi

Alcune tecniche che consentono la caratterizzazione ottica dei dispositivi prevedono l'uso di microscopi. Esistono diversi tipi di microscopi, che possono essere classificati in base al modo in cui la luce raggiunge il campione. Di conseguenza, alcuni microscopi funzionano con radiazioni a largo campo (wide-field radiation), mentre altri scansionano la superficie del campione per mezzo di un fascio di luce diretto (light sheet microscopy). Inoltre, altre configurazioni prevedono l'uso della microscopia a scansione di sonda per analizzare la superficie di interesse (ad esempio, la microscopia a forza atomica o la microscopia Scanning Tunnelling). Nella caratterizzazione dei dispositivi con microscopi, dopo che il fascio irradiato attraversa il campione, la luce assorbita o emessa viene raccolta dal sistema di rilevamento del microscopio e vengono generate immagini ottiche.

Tecnica NSOM per la caratterizzazione ottica

Un campo emergente che comprende un'interessante configurazione di sonda a scansione è la tecnica NSOM o Near-Field Scanning Optical Microscopy, chiamata anche SNOM o Scanning Near-Optical field microscopy Si tratta di un metodo che cerca di superare il limite di diffrazione di Abbe utilizzando una sonda in fibra su scala nanometrica per confinare la luce in un'area ristretta, consentendo di ottenere immagini topografiche e ottiche su scala inferiore alla lunghezze d’onda.  Per questo motivo, la NSOM ha dimostrato di essere una tecnica utile non solo per scopi biologici, ma anche per la caratterizzazione di diversi materiali come i semiconduttori.

In questo tipo di microscopia, la luce viene emessa o raccolta da una sonda, che può avere la struttura di un cantilever o di una sonda a fibra.

Inoltre, la sonda può funzionare in modalità con o senza apertura. Nella modalità senza apertura, una sonda AFM (Atomic Force Microscopy), con coating metallico per aumentare il campo elettromagnetico nella parte del campione più vicina alla tip, viene utilizzata in combinazione con una sorgente di luce esterna posta in campo lontano per l'illuminazione (Figura 1).

Figura 1. Schema di una configurazione NSOM senza apertura

La sorgente di luce esterna illumina la parte del campione più vicina alla punta del cantilever. La luce diffusa viene raccolta dall'obiettivo

Nella modalità di apertura, invece, la luce viene emessa o raccolta attraverso la sonda di scansione. Esistono diversi tipi di tecniche NSOM che fanno uso di sonde ad apertura. I metodi più semplici includono: NSOM a riflessione (in cui la luce viene emessa attraverso la sonda AFM dall'alto del campione e la luce riflessa viene raccolta) (Figura 2a), NSOM a raccolta (in cui un fascio di luce viene focalizzato sul campione dal basso e la sonda viene posizionata accanto alla superficie, in modo che la luce trasmessa la attraversi per raggiungere il rilevatore) (Figura 2b) o NSOM a trasmissione (in cui il campione viene irradiato attraverso la sonda dall'alto e la luce trasmessa viene raccolta) (Figura 2c).

Figura 2. Disegni schematici di configurazioni NSOM ad apertura 

(a) NSOM a riflessione. (b) NSOM a raccolta. (c) NSOM a trasmissione

Requisiti della tecnica NSOM

Per migliorare la risoluzione di un sistema NSOM, è necessario che la sorgente di illuminazione sia focalizzata verso il punto di eccitazione del campione in modo stabile ed efficiente. Questo è il motivo per cui le sorgenti di illuminazione coerenti sono preferite ad altre possibilità. Diverse sorgenti luminose utilizzate tradizionalmente includono intervalli di emissione tra le lunghezze d'onda UV e IR con potenze ottiche tra 0,5 e 5 mW, dimostrando che le lunghezze d'onda IR consentono un migliore confinamento della luce. Inoltre, sono stati implementati sia laser CW che impulsati. Alcuni esempi includono l'uso di laser Ti:Saphire in combinazione con generatori di supercontinuum. Altri esempi implementano più sorgenti laser a gas contemporaneamente, anche se studi recenti hanno proposto il laser a impulsi ultracorti come tecnologia vincente per le misure SNOM.

Il motivo risiede nella generazione di impulsi molto brevi che consentono di misurare la dinamica delle molecole su scale temporali così brevi.

In questa ottica presentiamo la nostra alternativa, chiamata Iceblink. Con l'Iceblink è possibile eccitare la superficie con un'ampia gamma di lunghezze d'onda (da 450 a 2300 nm), con impulsi più brevi di 10 picosecondi nella lunghezza d'onda centrale e combinarlo con un filtro sintonizzabile quando è necessaria una larghezza di linea specifica. In questo ambito, l'Iceblink può essere utilizzato in combinazione con il suo accessorio: il Boreal, che utilizza la tecnologia passa-banda per filtrare le lunghezze d'onda con una risoluzione minima di 5 nm. Il sistema composto dall'Iceblink e dal Boreal è ideale per la tecnologia NSOM sia per life science che per material science, grazie all'ampio e uniforme spettro del laser, che consente di eccitare e acquisire contemporaneamente diversi fluorofori o composti chimici in un campione eterogeneo con grande stabilità (<0,5% dev. std.), e alla possibilità di selezionare le lunghezze d'onda di interesse con l'accessorio Boreal.

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