近场光学显微镜.docx

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1、近场光学显微镜1.概述新型的近场光学显微镜的出现，使人们的视野拓宽到波长的十分之一以下，即纳米尺度。在近场光学显微镜中，采用孔径远小于光波长的探针代替光学镜头。当把这样的亚波长探针放置在距离物体表面一个波长以内，即近场区域时，通过探测束缚在物体表面的非辐射场，可以探测到丰富的亚微米光学信息。随着扫描探针显微学、微弱光信号探测技术的发展，人们可以制备孔径小于50nm的光纤探针，并且精确地在样品表面几十纳米以内稳定、可靠地进行光学信息的扫描成像，即扫描近场光学显微镜，其光学分辨率达到波长的几十分之一。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

2、改变偏振特性、可以在空气及许多介电材料中传播等等，近场光学在纳米尺度观察上起到其他扫描隧道显微镜、原子力显微镜所不能取代的作用，引发了近场光学显微镜在纳米尺度光学成像、纳米尺度光学微加工与光刻、超高密度信息存储、以及生物样品的原位与动态观察等一系列研究。在这个领域中，另一个新的发展是近场光学技术与近场光谱及时间分辨的结合。人们不但能够分辨单一的分子，并且能得到单一分子发出的荧光光谱及与时间分辨(10-15s)相结合的介观体系信息。同时，也提出了近场条件下分辨率、衬度、偏振及光的传播特性的新的理论问题。2.近场光学显微镜的原理传统的光学显微镜由光学镜头组成，可以将物体放大至几千

3、倍来观察细节，由于光波的衍射效应，无限提高放大倍数是不可能的，因为会遇到光波衍射极限这一障碍，传统的光学显微镜的分辨率不能超过光波长的一半。比如，以波长λ=400nm的绿光作为光源，仅能分辨相距为200nm的两个物体。实际应用中λ400nm，分辨率要更低些。这是因为一般的光学观察都在距离物体很远的位置（>>λ）。近场光学显微镜根据非辐射场的探测和成像原理，能够突破普 通光学显微镜所受到的衍射极限，可以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。物体表面场的分布可以划分为两个区域：一个是距物体表面仅几个波长的区域，称为近场区域；另一部分从近场区域起至无穷远处称为远

4、场区域。常规的观察工具，如传统光学显微镜、望远镜及各种光学镜头均处于远场范围。近场的结构则相当复杂，一方面它包括可以向远处传播的分量，又包括了仅限于物体表面一个波长以内的成分。人们在一个世纪以前就意识到近场的存在及其复杂性：它的特征是“依附”于物体表面，强度随离开表面的距离增加而迅速衰减，不能在自由空间存在，因而被称为隐失波（evanescentwave）。由于没有适当的观察工具能稳定地探测近场中隐失波所携带的物体精细信息，人们只能在远场对物体进观察，而仅仅从远场信息是不能重构物体的细节信息的。对于近场光学显微镜来说，最基本的间题是非辐射场的探测，而这也唯一的一种能够突破衍射

5、极限的光学观察技术。1970年，Ash和Nicholl应用近场的概念，在微波波段（λ=3cm）实现了分辨率为λ/60的二维成像。近场光学探测是由一系列转换完成的：①当用传播波或隐失波照射高空间频率的物体时，将产生隐失波；②这样产生的隐失场不服从瑞利判据。这些场在远小于一个波长的尺度的局部范围内有很大的变化；③根据互易原理，这些不可探测的高频局域场可以通过微小物体的转换而将这个隐失场转换为新的隐失场以及传播；④传播场被适当的远距离探头所记录，探头获得的信息准确反映精细结构的局部变化，当用一个微小物体（如光线探针的尖端）进行平面扫描时，我们就可以得到二维图像。