（光学工程专业论文）近场光学显微成像数值模拟研究.pdf

摘要 近场光学显微镜是近二十年来发展起来的一种新型超高分辨率的光学显微镜。它 利用细小的光学探针探测样品表面隐失波的超高频空间信息，超越经典衍射极限的限 制，可对样品表面纳米尺度区域的各种光学信息进行扫描成像，在生命科学、化学及 材料科学领域中都有着广泛而重要的应用。 本文围绕对介观尺度范围的电磁场分布及近场扫描成像过程进行数值模拟而展 开，目的在于能从理论上对近场成像过程有清楚的认识，正确地解释实验图像，达到 理论与实验结果可比较的效果，从而为新仪器的开发提供理论依据。 本论文的内容分为三个部分： 一、为解决近场光学理论计算这样一个复杂的难题，将f d t d 方法引入近场光学 及成像系统中。首次提出和发展了光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 系统中全内反射条件 下入射波的设置方法三波法，解决了激励源的设置问题。研究并实现了完全匹配 层( 附l ) 吸收边界条件的应用。实现了f d i d 方法在金属薄膜中的应用，给出了等离 子体动力学方程与麦克斯韦差分公式。完善了散射场公式在光子扫描隧道显微镜系统 中的应用。较好地解决了数值模拟真实近场光学系统成像问题。 二、深入研究光子扫描隧道显微系统的物理成像机制。将微扰近似理论和f d t d 方法用于p s t m 系统中。将微扰近似理论推广应用到多层结构系统中，结合消假像理论， 模拟了p s t m 系统周期性样品的成像，解决了样品图像偏移问题，进一步完善了微扰 近似理论在p s t m 系统中的应用。本文还利用f d t d 方法。研究和讨论了p 一极化波照 射条件下样品的近场分布与样品尺寸、厚度和折射率之间的关系。首次模拟演示了光 子隧道效应现象。分别模拟裸光纤尖和镀膜金属尖在真实实验条件下扫描成像过程， 讨论了扫描： 作模式对光学图像及分辨率的影响，取得了与国外文献和实验一致的结 果，并应用经典电磁场像一偶极子模型定性地理解p s t m 系统成像并进一步解释获得高 分辨率图像的机理。 常规( 单光束一非对称照明) 光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 对样品的平整度要求很 苛刻，仅对折射率均匀、只有形貌起伏的样品或表面很平、只有折射率变化的样品能 分别得到形貌和折射率图像，而对于既有形貌起伏又有折射率变化的样品得到的却是 二者的混合图像，造成图像解释方面的困难。为了解决这个题，我们介绍了新一代 a f p s t m 组合显微镜的原理及a f p s t m 弯光纤尖实现分离形貌和折射率图像的理论 依据，给出a f p s t m 双功能弯光纤尖共振恒振幅成像模式和a f p s t m 系统其框图，运 用f d t o 方法数值模拟，证明了a f p s t m 中处理样品折射率图像的公式是可信的，存 在一定的比例关系。数值模拟了玻璃基板上m g f 2 膜的折射率图像并得到与实验相符的 结果，此外，还给出其它样品的一次扫描获得分离的光学与形貌图像。 三、发射模式扫描近场光学显微镜( s n o m ) 能够实现超衍分辨的技术核心是用 亚波长尺度的光源，在s n o m 光探针的设计中最具有挑战的任务是实现两个相互矛盾 的参数的设计：即在保证足够大的通光效率的同时尽可能地减小光斑尺寸。为了实现 更窄的光束斑点和更高的输出效率，我们设计一个由高折射率介质构成的、完全镀薄 资会属膜的、垂直顶角的四面锥探针尖。由于高折射率芯和薄金属膜，光在：笛中传播 并在金属尖端被转换为表面等离子激元，使输出通光效率加强并得到超小输出光斑。 最后，本文介绍了将垂直腔表面发射激光器( v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n gl a s e r ， v c s e l ) 直接与近场光探针尖耦合，即反射式扫描近场光学显微镜读写头阵列集成( t h e i n t e g r a t e d r e f l e c t e d s c a n n i n g n e a r f i e l d o p t i c a lm i c r o s c o p yr e a d i n g w r i t i n gh e a d ， r s n o m r w h ) 的概念设计。给出了实现几个关键技术的可能，如集成r s n o m r w h 和它的工作原理，探针头的设计与数值模拟。讨沦了实现等间距扫描和超高数据转换 速率的可能性。 本论文的研究结果表明： 1 利用电磁场理论和先进的数值计算方法时域有限差分方法研究物体表面 近场区域光与物质相互作用现象，如光的散射、反射、衍射、吸收及光谱等，是非常 有用的。这对于近场光学基本物理现象的认识，对于正确理解近场光学显微图像所代 表的物理本质以及新型近场光学显微镜的开发和应用部具有十分重要的意义。 2 对近场光学显微成像理论和数值的深入研究，有助于有目的地设计和操作实 验，并将实验结果与理论进行核实比较。 3 新型光探针的设计为新型仪器的开发与设计打下了坚实的理论基础。 关键词：近场光学，时域有限差分方法，光子扫描隧道显微镜，原子力，光子扫描隧道显微镜 a b s t r a c t n e a r - f i e l d o p t i c a lm i c r o s c o p e i san e wt y p eo fs u p e r - r e s o l u t i o n o p t i c a l m i c r o s c o p ed e v e l o p e df o rt h er e c e n tt w e n t yy e a r s ，i to b t a i n st h ev a r i o u so p t i c a l i m a g e s o ft h e s a m p l e s n a n o m e t e rs u r f a c e ，t r a n s c e n d e dt h ed i f f r a c t i o nl i m i to f c o n v e n t i o n a lo p t i c a lm i c r o s c o p e ，b yu s i n gaf i n eo p t i c a l f i b e rt i pp r o b i n gu l t r a - h i g h f r e q u e n c yo p t i c a li n f o r m a t i o no nt h es a m p l es u r f a c e a n di t h a se x t e n s i v e l yb e e n a p p l i e d o nl i f es c i e n c e ，c h e m i s t r ya n dm a t e r i a ls c i e n c ef i e l d s 。 t h i st h e s i sc o n c e n t r a t e so i lt h e m e s o s c o p i cs a m p l e se l e c t r o m a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n so fs c a n n i n gi m a g i n gp r o c e s so fn e a r - f i e l d o p t i c s t h a ta i m sa tc l a r i f y i n gn e a r - f i e l di m a g i n gp r o c e s st h e o r e t i c a l l y , p r o v i d i n gt h e s c i e n t i f i cb a s i sf o r c o r r e c t l yi n t e r p r e t a t i o no f n e a r - f i e l do p t i c a li m a g e sa n d d e v e l o p i n g n e wc l a s si n s t r u m e n t s t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： 1 t h ef i n i t e - d i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o di s a p p l i e dt oi m a g i n gs y s t e mo f n e a r - f i e l d o p t i c s ，i n o r d e rt os o l v et h e c o m p l i c a t e dp r o b l e ma b o u t t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no fn e a r - f i e l d o p t i c s t h et h r e e w a v e m e t h o du n d e rt h et o t a li n t e r n a l r e f l e c t i o ni np s t mw a s p r o p o s e d a n d d e v e l o p e df i r s t l y ，r e s o l v i n g t h ei n c i d e ms o u r c e t e c h n i q u ep r o b l e m t h ea p p l i c a t i o no fp e r f e c t l ym a t c h e dl a y e ra b s o r p t i o nb o u n d a r y c o n d i t i o ni sr e s e a r c h e da n dc a r r i e do u t i ti sr e a l i z e dt h a tf d t dm e t h o di sa p p l i e dt o m e t a lt h i nf i l ma n dt h ed y n a m i c se q u a t i o n sf o rp l a s m aa n dm a x w e l l sd i s c r e t i z e d f o r m u l a sa r ep r e s e n t e d h e r et h es c a t t e r e df i e l df o r m u l a s a p p l i e dt op h o t o ns c a n n i n g t u n n e l i n gm i c r o s c o p ea r ep e r f e c t e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so f t h ei m a g i n go f s y s t e m o fr e a l i s t i cn e a r - f i e l do p t i c sa r er e s o l v e dw e l l 2 t h e i m a g i n gm e c h a n i s mo fp s t mi se x p l o r e dd e e p l y t h ep e r t u r b a t i o n a p p r o a c hm e t h o da n df i n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n m e t h o da r ea p p l i e dt op s t m s y s t e mr e s p e c t i v e l y t h ep e r t u r b a t i o na p p r o a c h m e t h o dc o m b i n e d e l i m i n a t i n g s p u r i o u si m a g e st h e o r yi se x t e n d e d t ot h e m u l t i p l a y e rs y s t e m o fp s t m w es i m u l a t e d t h ei m a g i n go fa p e r i o d i cs a m p l ef o rc o r r e c t i n gt h es h i f to f t h ei m a g e so ft h es a m p l e t h e p e r t u r b a t i o na p p r o a c hm e t h o da p p l i e dt op s t m i sf u r t h e rp e r f e c t e d t h et h e s i s s t u d i e da n dd i s c u s s e dt h en e a r - f i e l dd i s t r i b u t i o nd e p e n d i n go ns c a l ea n dt h et h i c k n e s s o ft h es a m p l ef o rp - p o l a r i z e di n c i d e n tl i g h t t h ep h o t o nt u n n e l i n ge f f e c t sa r es h o w e d f i r s t l y w e s i m u l a t e dt h e s c a n n i n gi m a g i n gp r o c e s s i nt h er e a l i s t i c e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n sf o ru s i n gab a r e p r o b et i p a n dam e t a l l i c p r o b et i pr e s p e c t i v e l y t h e s c a n n i n gm o d e si n f l u e n c e do nt h ei m a g e sa n dt h er e s o l u t i o n sa r ed i s c u s s e d t h e n u m e r i c a lr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ep u b l i s h e da r t i c l e sa n dt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h e h i g h - r e s o l u t i o np s t mi m a g e sc a nb eq u a l i t a t i v e l yu n d e r s t o o du s i n g d i p o l em o d e lo f t h ec l a s s i c a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ， t h e s a m p l e s a r el i m i t e df o rc o n v e n t i o n a lp s t m i m a g i n g t h e s u r f a c e t o p o g r a p h i c a li m a g e sa n dt h er e f r a c t i v ei n d e xi m a g e sc a no n l yb eo b t a i n e df o rt h e s a m p l e s o f u n i f o r m i t yo f t h er e f r a c t i v ei n d e xa n d t o p o g r a p h i c a ls u r f a c e o rf l a ts u r f a c e a n dv a r i e dr e f r a c t i v ei n d e x 日他i m a g e so ft h es a m p l e so fe i t h e rv a r i e dr e f r a c t i v e i n d e xo rt o p o g r a p h i c a ls u r f a c es h o wt h e i rm i x i m a g e s i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e m ， t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fan e w g e n e r a t i o no f a f f p s t ma n dt h e o r e t i c a l b a s i so f s e p a r a t e dt o p o g r a p h ya n dr e f r a c t i v ei n d e xi m a g e s ，w h i c ha b e n t o p t i c a lf i b e r t i pd o e sad i t h e ro nc o n s t a n ta m p l i t u d ea n ds c a n si n c o n s t a n tm e a ng a pm o d ei n a f p s t m t h ed i a g r a mo fa f p s t m s y s t e mi sp r e s e n t e d t h ef o r m u l a o fr e f r a c t i v e i n d e xi m a g i n gi sp r o v e db yf d t dm e t h o d w es i m u l a t e dt h ei m a g e so fm g f 2f i l m w i t hh o l e so n o p t i c a lg l a s sa n d t h er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s m o r e o v e r , t h ei m a g e so fs e p a r a t e dt o p o g r a p h ya n dr e f r a c t i v ei n d e xa r ep r e s e n t e df o r o n es c a n n i n g 3 t h e k e y e l e m e n to fs c a n n i n gn e a r - f i e l d o p t i c a lm i c r o s c o p y ( s n o m ) b r e a k i n g t h ed i f f r a c t i o nl i m i tt or e a l i z e s u p e rr e s o l u t i o n i st h e l i g h t s o u r c eo f s u b - w a v e l e n g t hs c a l e t h em o s tc h a l l e n g ew o r ki st h ed e s i g no fo p t i c a lp r o b ei n s n o mt or e a l i z et w oc o n t r a r yd e m a n d s ：h i g h e r t h r o u g h p u ta n d s m a l l e rl i g h ts p o ts i z e s i m u l t a n e o u s l y i no r d e rt or e a l i z en a r r o w e rb e a md i a m e t e ra n de n o u g ht h r o u g h p u t ， w ed e s i g nap y r a m i d a l ( a tt h ea n g l eo f9 0 0 ) d i e l e c t r i c 邱t h a ti se n t i r e l yc o a t e dw i t h t h i nm e t a lf i l ma n d h i g hr e f r a c t i v ei n d e x b e c a u s et h el i g h tc a np r o p a g a t ea l o n g c o r e 、 ，i ms u r f a c ep l a s m o nm o d ee x c i t e di nt h ee n do f t h e p r o b e ，p r o d u c eas t r o n gl i g h ts p o t ， t op r o v i d eh i g h e r t h r o u g h p u t a n das m a l ln e a r - f i e l ds p o ts i z e ， f i n a l l y , t h ec o n c e p t i o n a l d e s i g n o fv e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e 。- e m i t t i n gl a s e r ( v c s e l ) c o u p l i n gi n t e g r a t e d r e f l e c t e ds c a n n i n gn e a r - f i e l d o p t i c a lm i c r o s c o p y r e a d i n g w r i t i n gh e a d ( r s n o m r w h ) a r ei n t r o d u c e d t h ek e yt e c h n o l o g i e s o f r s n o m r w s ha r ed i s c u s s e ds u c ha si n t e g r a t e dr s n o m r w s ha n di t sw o r k i n g p r i n c i p l e ，d e s i g no fp r o b et i pa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o n s t a n td i s t a n c es c a n n i n g a n dt h ep o s s i b i l i t yo f d a t at r a n s f e r r i n gr a t ea r ed i s c u s s e d ih ec o n c l u s i o n ss h o w ： 1 i ti s n e c e s s a r y t ou s et h en u m e r i c a lm e t h o d o f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d f d t di ns t u d y i n gt h ec o m p l e xi n t e r a c t i o no fl i g h tw i t hm a t t e ri n t h en e a r f i e l d r e g i o n o f s a m p l es t r u c t u r e ，s u c h a s l i g h ts c a t t e r i n g ， r e f l e c t i o n ，d i f f r a c t i o n ，a b s o r p t i o n a n ds p e c t r o s c o p y a n di t i s v e r y s i g n i f i c a n t t ou n d e r s t a n dt h a tt h eb a s i c p h y s i c a lp h e n o m e n o n i n n e a r - f i e l do p t i c s ，i l l u s t r a t en e a rf i e l di m a g e sp r e s e n t e dp h y s i c a le s s e n c e e x a c t l y , a n df i n do u tan e ww a y t oi n v e n ta n da p p l yn e a rf i e l do p t i c a l m i c r o s c o p e s 2 i ti s h e l p f u lt os t u d yt h ei m a g i n gt h e o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i n n e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p et od e s i g ne x p e r i m e n t sw i t hd e f i n i t ep u r p o s e a n dt o c o m p a r e t h er e s u l t sb e t w e e n e x p e r i m e n t s a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n 3 t h e d e s i g no f an o v e lt y p eo f t h ep r o b e t i pp r e s e n t sa f o u n d a t i o n a lt h e o r y t oi n v e n ta n d d e s i g na n e w t y p eo f i n s t r u m e n t s k e y w o r d s ：n e a r - f i e l do p t i c s ，f i n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ，p h o t o ns c a n n i n g t u n n e l i n gm i c r o s c o p y , a t o m i cf o r c e p h o t o ns c a n n i n gt u n n e l i n g m i c r o s c o p y 近场光学硅微成像数值模拟研究 0 前言 近场光学是伴随着近场光学显微技术而发展起来的一个光学分支，它是研 究距离物体表面一个波长以内的光学现象的新兴交叉学科。 本文围绕对介观尺度范围内的电磁场及近场扫描成像过程进行数值描述，运 用时域有限差分( f d t d ) 方法于近场光学中而展开的目的在于从理论上对近场 成像过程有清楚的认识，正确解释实验图像，达到理论与实验结果相符的效果， 为新仪器的开发提供理论依据。 本文完成国家自然科学基金( 6 0 0 0 7 0 1 1 ) 、( 3 0 2 7 0 3 6 7 ) 和国家科技部仪器开 发基金项目( g n 9 9 1 5 ) 的部分内容。 近场光学显微成像数值模拟研究 1 绪论 本章首先简要介绍光学图像形成理论，远场光学显微镜的分辨极限：其次， 介绍能克服远场衍射极限的近场光学方法，引入扫描近场光学显微镜，并简要介 绍其成像原理：在第三节，简要评述近场光学理论的发展概况：第四节，简要评 述了扫描近场光学显微镜有关实验的发展概况和近期的进展：最后一节给出本论 文安排及研究范围。 1 1 光学显微镜 4 0 0 年前，荷兰物理学家冯劳文虎克( v a nl o e u v e n h o o k ) 发明了光学显微 镜。它是以光学透镜为主体，利用透镜能将物体放大成像的功能而制成的。由于 传统光学显微镜对工作环境要求宽松，操作简便，检测时对样品无损，在物理、 化学、生物和医学领域被广泛应用于观测样品表面的细微形貌特征、动态过程和 研究样品的光学性质。 尽管光学显微镜有很多优点，但它远远满足不了人们对分辨率的更高要求， 这是由于传统光学显微镜的工作距离总是大于探测光波长，即工作在远场区，在 远场区光的衍射效应限制了光学显微镜分辨率进一步提高的可能性。下面分别从 两个方面加以说明。 1 1 1 远场和近场 电磁场的辐射是物体受激发后，内部电偶极跃迁引起的。电磁波从物体表面 向自由空间传播时，场分布可划分为两个区域：一个是距物体表面仅一个波长内 区域，这一区域称为近场区域；另一区域为近场以外到无穷远称之为远场区。远 场区域只存在辐射波，而近场区域还存在非辐射波，又称隐失波( e v a n e s c e n t w a v c ) ，其强度随离开表面距离近似指数衰减。近场波体现了光在传播过程中， 遇到空间光学性质不连续时，光波的空间瞬态变化，这种变化很快在空间衰减， 它反映了空间光学性质的不连续性。为定量说明两种性质的波，现从傅立叶光学 理论分析光在近场和远场中的行为。 近场光学显微成像数值模拟研究 假设一个平面光场的分布为u ( x ，y ，0 ) ，光沿z 轴正方向传播，在距离：处光 场的分布变为u ( x ，y ，z ) ( 图1 - 1 ) 。由傅立叶变换可知u ( x ，y ，0 ) 可以展开为含有 各种频率分量g 。( 正，六) 之和，表达式为 图l - 1 光学像的形成：在z 的场分布是由于：= 0 的场分布结果 f i g 1 - 1 o p t i c a li m a g ef o r m a t i o n ：f i e l dd i s t r i b u t i o na t zd u et ot h ef i e l da tz = 0 u ( x ，y ，o ) = j p 。( 六，l ) e x p 【2 疵( 正z + f ，y ) d l l ( 1 - 1 ) 同理，在z 处， u ( x ，y ，z ) = g ：( 正，) e x p 2 n ( f ，x + l y ) a f x l ( 1 - 2 ) 将上两式代入亥姆霍兹方程( v2 + k2 ) u = 0 ，k 为光波波矢，可得 g ：( ，) = g 。( 六，) e x p ( j 2 石1 一( 识) 2 一( 矾) 2 ) ( 1 3 ) ( 1 ) 当( 矾) 2 + ( 矾) 2 1 ， g ：( 正，六) = g o ( f ，f y ) e x p ( - 2 x z 2 ( 扰) 2 + ( 彬) 2 1 ) ( 1 5 ) 空间频率( 正， ) 满足( 1 - 4 ) 的是光场低频成分，是传导波，即远场光，这 些空间结构的尺度大于光的波长，也就是说在远场探测的光信号只携带有物体表 面大于光波长的空问结构信息；空间频率( 正， ) 满足( 1 - 5 ) 的是光场高频成分， 该成分光波沿z 正轴方向指数衰减，是隐失波，也就是近场光，即只有近场光才 能携带高频卒间结构信息，它对应于物体表面的精细结构。当= 时，近场几 近场光学显微戒像数值模拟研究 乎衰减为零，只存在远场波。传统光学显微镜的探测方法即在这一区域。在这一 区域不可避免地受光的衍射极限的限制。 1 1 2 衍射极限 具有一个数值孔径( n a = n s i n ( o ) ) 的传统光学显微镜， 物光束中只有k 波矢的传导波在n a 内才能到达检测器， s i n ( z ，k ) n a 被放置在远场成像 ( 1 6 ) ( 扰) 2 + ( 矾) 2 ( m ) 2 ( 1 - 7 ) 这就是指仅仅空间频谱( ， ) 小于川的光束才能够被收集，结果在像平 面最好的空间分辨被限制在乡缸，即阿贝( e m e s t a b b e ) 衍射极限。瑞利( r a y l e i 曲) 定义了关于衍射极限的判断标准，即当相邻两物点的光强度相等时，如一个物点 的衍射光斑的主极大与另一个物点的衍射光斑第一阶极小恰好重合，便认为这两 个物点的像刚好能被分开。这个分辨极限为o 6 l ，称之为瑞利判据。 1 2 近场光学显微镜 近场光学显微镜是对传统光学显微镜的革命性发展。它是在扫描探针显微镜 ( s c a n n i n g p r o b em i c r o s c o p y , s p m ) 的技术基础上发展起来的，并成为扫描探针 显微镜大家族中的一员。 1 2 1 分辨率衍射极限的突破 1 9 2 8 年，申奇( e h s y n g e ) 【1 】在 杂志上提出了利用小于波 长的光学孔径作为光源，并置于与样品距离也小于光波长的位置扫描成像方法可 以突破成像分辨的衍射极限，即所谓近场光学成像方法。1 9 7 2 年ea a s h 和 g n i c h o l s 【2 】在微波频段( 五= 3 c m ) 采用近场成像方法获得2 6 0 的分辨率。 1 9 8 1 年，扫描隧道显微镜( s t m ) 问世后，相继出现了扫描探针显微镜家族， 如原子力显微镜( a f m ) ，磁力显微镜( m f m ) 和静电力显微镜( e f m ) 等，使 研制扫描光学显微镜有了充分的技术基础。1 9 8 4 年，发明扫描隧道显微镜的i b m 近场光学显微成像数值模拟研究 苏黎士研究实验室的d 、7 l ，p o h l 等【3 】利用被他们自己称之为“光学听诊器”的扫 描近场光学显微镜( s c a n n i n g n e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p y , s n o m ) 第一次实现 了可见光下的近场成像，分辨极限达到了2 5 n m ( ) 2 0 ) 。1 9 8 9 年，r ，c r e d d i c k 4 ， 5 1 等人研制了另一种突破成像分辨衍射极限的光学显微镜一光子扫描隧道显微 镜( p h o t o ns c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p y , p s t m ) 。1 9 9 1 年，美国康奈尔大学贝 尔实验室的e b e t z i g 等人【6 8 】利用单模光纤制成了一种新的探针，探针镀a l 膜， 端口开5 0n n l 的小孔。为了解决监测和控制针尖至样品表面距离至纳米量级的 问题，采用了剪切力( s h e a rf o r c e ) 变化进行反馈控制的方法，极大地促进了 ( s n o m ) 的发展。 作为近二十年新兴发展领域，近场光学及近场光学显微镜仍处于发展阶段。 有许多理论和技术上的难题需要新的突破。 1 2 2 扫描近场光学显微镜的成像原理 由1 1 节可知，要实现超衍射分辨成像就必须满足以下基本条件： ( 1 )实现近场探测。把含有超衍射分辨信息的隐失场转变为携带该信息的可 进行能量输送的传播场，使放在远处的探测器可以接受到隐含在隐失场中的超分 辨信息。即用一小于波长尺寸的光学探针作为光源或探测器，把探针置于物体的 近场区域，通过探测从样品透射或散射的光，可得到物体亚波长尺寸的结构信息， 通过扫描从而实现超高分辨的近场成像。由此可以看出探针尖端的尺寸大小可直 接影响成像分辨率： ( 2 )解决针尖与样品间距的测控技术。超衍射分辨的近场光学成像需要探测 尖在样品表面做二维逐点扫描，同时探测尖与样品表面距离需通过一定模式反馈 控制，以实现三维超衍射精度扫描成像。扫描成像基本模式有等强度扫描模式 ( c o n s t a n ti n t e n s i t ys c a n n i n gm o d e ) 、等高度扫描模式( c o n s t a n th e j 曲ts c a n n i n g m o d e ) 、等间距扫描模式( c o n s t a n tg a ps c a n n i n gm o d e ) 和探测尖轻敲样品表面 扫描模式( t a p p i n gm o d e ) 。常规的三维精密扫描系统采用压电动作器件，如三 维压电陶瓷管等。目前已发展多种测控方法，如等信息强度测控方法、隧道电流 测控方法、原子力光杠杆测控方法、尖横向共振剪切力方法、晶振压电测控方法 和尖纵向共振或多种压电膜测控方法等。 近场光学显徽成像数值模拟研究 图1 - 2 s n o m 不同工作模式不意图 f 逗i 2 s c h e m eo f s n o m i nm a n yd i f f e r e n tw a y s o f o p e r a i o n 扫描近场光学显微镜有多种成像模式。按光学探针的功能可分为照明模式和 收集模式：按探测到的光信号的来源可分为反射模式和透射模式。照明模式是指 将照明光( 通常是激光) 引入光纤，用光纤探针在近场范围内照明样品，用透镜 在远场收集样品表面的光信号( 如图1 2a ) 。收集模式是指用激光束进行远场照 明，用光纤探针收集近场信号( 如图1 - 2bd ) 。反射模式是指照明光源和探测器 在样品表面的同侧( 如图1 2c ) 。通常反射模式用于不透明样品。透射模式是指 照明光源和探测器在样品表面的两侧( 如图i 2abd ) 。其中图1 - 2d 是一种特殊 形式的透射模式也叫光子扫描隧道显微镜模式( p h o t o ns c a n n i n gt u n n e l i n g m i c r o s c o p y m o d e ，p s t m m o d e ) ，远场照明的入射光在两界面产生全内反射，在 界面上产生指数衰减的隐失波，样品置于隐失场中被调制，当光纤探针( 般不 镀膜) 进入样品表面近场范围内时，可将隐失场转化为传输场。在此模式中光纤 探针作为隐失场中的散射体。类似于p s t m 模式，还可以用其它探针如原子力 悬臂探针作为隐失场中的散射体( 如图1 2e ) 。在表面等离子激元近场光学显微 镜中，表面激元在镀有薄金属膜村底的样品上产生，并由探测尖散射，如图i 2f a 图1 - 3 为照射模式s n o m 系统示意图，整个结构包括照射和收集光学系统。 在照射系统中，激光光源经光纤耦合器用光纤探针在近场范围内照明样品然后 用透镜在远场收集样品表面的光信息。 近场光学显微成像数值模拟研究 f i g 1 - 3 s c h e m eo f i l l u m i n a t i o nm o d es n o m 1 3 近场光学理论研究进展 近场光学理论主要涉及光与亚波长物体的相互作用，运用传统的电磁场理论 遇到困难。本节主要介绍近场光学理论的发展及目前描述近场光与亚波长物体的 相互作用的几种近似方法。 1 3 1 早期的工作 在惠更斯( c h u y g e n s ，1 6 2 9 1 6 5 9 ) 早期工作之后，菲涅耳和基尔霍夫系统 地从基本原理推导了菲涅耳理论并用基尔霍夫积分进行数学表示。可以认为在解 释光与物体的相互作用方面，麦克斯韦建立的著名的麦克斯韦方程做出了主要贡 献，它把电、磁和物联系在一起。菲涅耳基尔霍夫理论是以标量近似为基础。 直到十九世纪末索末菲修正了菲涅耳基尔霍夫理论上的数学缺陷，才使得衍射 理论较为完整。即便麦克斯韦方程理论上能解决任何电磁场问题，然而由于实际 问题的复杂性解析解中只能解决有限的几个很简单的问题。1 9 0 8 年，米氏( g m i e ) 利用矢量近似研究了光照射在金属球和介质圆球上的衍射作用。尽管对于 在近场局域会出现一些收敛问题，在超出小球范围米氏近似也是有效的。已经有 近场光学显微成像数值模拟研宄 几个作者发展了基于米氏理论的近场光学模型 9 ，1 0 】。 一个无穷大理想导体屏上的d , t l 散射问题已经用各种近似方法处理过。1 9 4 4 年，b e t h e 1 1 用标量势函数近似方法求出了幂级数的首项，从而得到圆孔衍射场 的远场解。1 9 5 0 年，b o u w k a m p 1 2 进一步研究了平面波正入射的小孔衍射问题， 并精确解出了它们的衍射近场和远场。b e t h e 和b o u w k a m p 的主要结论之一是纳 米小孔可以被描述为一个电偶级子和一个磁偶级子的叠加，作为亚波长衍射特 性，在5 0 多年前并没有受到重视，直到近场光学显微镜出现以前b e t h e 的工作 一直被人忽视。 通过一个厚屏上的d , 4 l 衍射是一个更复杂的问题。近期也出现了一些处理方 法，最简单的情况之一是处理通过无限厚的缝的衍射。e ，b e t z i g 等研究了厚理 想导体屏上缝的近场衍射并把它应用到s n o me e l l 3 1 。a r o b e r t s 用严格模式近 似方法处理了厚屏上圆孔衍射 1 4 】。最近这样一个模型已被应用到孔径尖中 1 5 】。 1 3 2 近期的几种近似方法 由于经典光学理论并不涉及近场区域的光学现象，因此近场光学理论的发 展遇到了挑战。实际上，在近场光学中，最需要集中解决的根本问题是( 1 ) 物 体近场中电磁波的特性问题，即物体近场内包含哪些特征信息，这就需要计算不 同形貌和物理性质的样品的表面近场区域的电磁场；( 2 ) 探测中探针与样品的相 互作用问题。