近场光学与近场光学显微镜

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1、北京大学学报(自然科学版),第33卷,第3期,1997年5月述评ActaScientiarumNaturaliumReviewUniversitatisPekinensis,Vol.33,No.3(May,1997)1)近场光学与近场光学显微镜朱星(北京大学物理系,人工微结构与介观物理国家重点实验室,北京,100871)摘要近场光学是研究距离物体表面一个波长以内的光学现象的新型交叉学科。基于非辐射场的探测与成像原理,近场光学显微镜突破常规光学显微镜所受到的衍射极限,在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。本文将讨论近场光学的基本原理,非辐

2、射场的探测与高分辨率的关系;光学限阈及隐失场在近场光学中的重要性;以及近场信息的获取方法。对近场光学显微镜的主要类型及相应的仪器发展,分辨率,衬度原理做一综述。同时简要介绍近场光学显微镜在超高分辨率光学成像,近场局域光谱,高密度数据存储,在生命科学,单分子光谱,量子器件发光机制等领域中的应用。关键词近场光学;近场光学显微镜;扫描探针显微学;介观物理;纳米光谱中图分类号O43311;O47213;TN247;TN250引言80年代以来,随着科学与技术向小尺度与低维空间的推进与扫描探针显微技术的发展,在光学领域中出现了一个新型交叉学科——近场光学。近场光学对传

3、统的光学分辨极限产生了革命性的突破。新型的近场光学显微镜(NSOM——Near2fieldScanningOpticalMicroscope,或称SNOM)的出现使人们的视野由入射光波长一半的尺度拓展到波长的几十分之一,即纳米尺度。在近场光学显微镜中,传统光学仪器中的镜头被细小的光学探针所代替,其尖端的孔径远小于光的波长。当把这样的亚波长光孔放置在距离物体表面一个波长以内,即近场区域时,可以探测到丰富的亚微米光学信息,而这些精细结构信息仅仅存在于表面的非辐射场内。在常规的光学方法中,探测元件(如镜头)则位于远远大于波长的远场中。由于衍射效应,光斑的尺寸随距

4、离增加而扩大,常规显微镜只能获得由辐射场携带的大于波长一半的结构信息,即受到衍射极限的限制。[1]当扫描隧道显微镜(STM)在1981年出现时,就有人几乎同时提出近场光学显微镜的设[2,3]想。这两种高空间分辨率技术的基本原理很相似:STM是基于隧道电子的探测,而近场光学显微镜是探测隧道光子。由于光子具有一些特殊的性质。如:没有质量、电中性、波长比较长(与电子相比较)、容易改变偏振特性、可以在空气及许多介电材料中传播等等,近场光学在纳1)国家自然科学基金资助项目(19674004)收稿日期:1996212224;修改稿收到日期:1997201227©199

5、4-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第3期朱星:近场光学与近场光学显微镜395米尺度观察上起到其他扫描探针显微镜,如STM,原子力显微镜(AFM)所不能取代的作用。近场光学的核心问题是探测束缚在物体表面的非辐射场。一方面,处于近场区域的非辐射场内包含物体结构的细节(<

6、。早在1928年,Synge提出:用入射光透过孔径为10nm小孔照射到相距为10nm的样品后,以10nm的步长扫描并且收集微区的光信号时,就可能获得超高分辨率。在这种直观的描述中,Synge已经清楚地预测了现代近场光学显微镜的主要特征。当然,由于技术发展的限制,当时不可能制备这样小的光孔,并且可靠地放入近场以及二维扫描。这样一个极其聪明的[5]设想被人们忽略了几十年。直到1970年,Ash和Nicholls应用近场的概念,在微波波段(K=3cm)实现了分辨率为Kö60的二维成像。然而,没有纳米尺度的精密加工与扫描技术,将近场观察推广到可见光波段是极其困难[

7、2]的。1983年,IBM苏黎世研究中心成功地在金属镀膜的石英晶体尖端制备了纳米尺度的光孔。利用隧道电流作为探针和样品间距的反馈,获得Kö20的超高光学分辨率的图象。在同一时[3]期,Cornell大学将微毛细管拉伸成为极细的光孔作为探针,也获得了类似的成功。而Fisch2er则自1981年起提出一系列实现近场观察的方案:如金属模板与单层感光染料膜之间的能量[6][7][8]转换,反射方式,单粒子等离子法,同轴探针法。在最近采用的四面体探针法中,用STM作调控,他们达到的分辨率优于3～5nm。使近场光学能引起更广泛关注的推动来自于AT&TBell实验室。1

8、991年Betzig等人用光[9]学纤维制成高通光率的锥形光孔,侧