（光学专业论文）近场光学显微镜的应用与近场光学计算.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 戈 燮塑鲤壁燮丝( s n o m 是 一 种 新 兴 的 袒 高 分 辨 率 光 学 显 微 镜 。 它 和 各种光谱技术的结合使得s n o m的研究和应用范围正在迅速扩大， 成为揭示纳 米尺度光学信息的一种不可替代的手段。 同时近场光学理论也在近年来得到迅速 a r ， 一 个 融衅掀一姗衅撇瓢雄立 介烟瓢毓学 ， 分 为应用与理论分析两个部分， 第一部分采用近场光谱手段研究单壁碳纳米管的光 致发光性质;第二部分针对各种不同的近场光学问题进行理论和数值分析。 令 文 报 道 了 用 近 场 光 谱 方 法 首 次 观 察 到 的 平 行 排 列 于 沸 径。 .4 2 n m的单壁碳纳米管在可见光波段较强的光致发光现象 文报道了用近场光谱方法首次观察到的平行排列于沸石晶体孔道中的直 。实验表明样品的 光致发光显示明显的各向 异性，这与其一维结构相符，是碳纳米管的本征发光。 在u v 3 2 5 n m激光激发下， 利用光纤探针产生较强的近场功率密度激发样品， 碳 纳米管的发光光谱有明显的兰移，兰移主要集中在 4 5 4 n m附近，并且该变化不 可逆。生长不完整的单壁碳纳米管样品发光光谱分布也是从6 2 2 n m到4 5 4 n m的 较短波长段， 光谱呈现一定的分立结构; 样品对强u v激发也显示不可逆的光谱 部分兰移， 兰移部分的主要位置也集中在 4 5 4 n m处。 对照此类碳纳米管三种可 能的构型的及其能级结构和态密度的理论分析和计算， 我们对碳纳米管发光机理 进行了初步探讨， 认为金属型的 ( 5 ， 0 ) 碳纳米管发光可以通过态密度奇点之间 的跃迁来实现。 在一定强度的u v激光的激发下， 单壁碳纳米管会因光化学作用 而失去长程完整性。 单壁碳纳米管因长度的限制而导致的量子限效应会使能级产 生分裂和能隙加宽， 导致了发光光谱和吸收谱的兰移。 发光碳纳米管的长度存在 最小值，对应 4 5 4 n m的光谱峰。不完整碳纳米管长度变化的不连续，反映在光 谱上呈现等能量间隔的峰结构。理论分析得到的 这些结论都与实验结果相吻合。 时域有限差分法 ( f d t d m e t h o d )是一种新兴的数值计算方法， 直接从麦克 斯韦方程组出发， 能够给出电磁场的全矢量瞬态解， 具有很高的精度和广泛的适 用性，非常适合于近场光学问题的分析。本文用 f d t d方法分析多种不同近场 j清况下的电磁场体系，得到许多有意义的结论，对近场光学实验起到指导作用。 在近场光学显微技术中，近场光纤探针是最关键的器件，也是理论计算和 分析涉及最多的器件。 光纤探针尖的形状和针尖大小以及不同的镀膜方式等直接 决定了出射光场的功率输出 和光斑大小， 影响整个系统的传输效率和分辨率。 由 于近场手段在研究样品偏振效应中的广泛应用， 使探针输出 光场的偏振特性也成 为越来越重要的课题。本文采用 f d t d方法对镀膜和非镀膜近场光纤探针的光 场传输特性， 特别对镀膜探针的光场传输的偏振变化进行了详细的分析。 计算得 到探针出射光场强度的三维分布， 与j . p . me 利用偏振光的边界波理论计算得到 中国科学技术大学博士学位论文摘要 的 结 果， 以 及l . n o v o t n y 的 用复 多 极子m m p 方 法 数 值 分 析的 结 果均 相 符合。 在 对光纤的偏振分量的分布和探针保偏的特性的分析中， 计算得到不同电磁场分量 之间有固定的相位差， 即探针对入射线偏振光具有类似于波片的作用， 这与金属 镀膜探针的实验结果相符合。 对不同开口直径的探针计算表明， 开口直径 1 0 0 n m 的探针具有较大的输出偏光比。 本文在倏逝场数值分析的基础上，分别计算由全内反射倏逝场和金属表面 等离子体波来实现无孔s n o m的探针和样品表面光场的互相作用，讨论其成像 机制。 对金属表面等离子体波， 我们从束缚电子在入射电磁波中的振动方程出发， 修改和扩展了 f d t d算法以实现对色散介质的描述，首次使用此方法给出了衰 减全反射 ( a t r ) 模式下的金属表面等离子体波的产生、 传播和散射特性。 计算 结果表明对于棱镜表面5 0 n m厚度银膜产生的表面等离子体波在强度上比入射光 场有4 0 倍以上的增强; 沿表面的衰减深度约5 0 n m ; 反射光相对于入射光则有大 于6 0 %的减弱: 与其他计算方法以及实验得出的结果相符合。 通过计算金属层上 表面的金属小球对等离子体波的散射， 得到散射至远场的光场强度是棱镜全反射 倏逝场被散射的光强的7 倍，而且小球与金属膜表面之间的光场有更大的增强。 本文对微米尺度聚苯乙烯电介质透明微粒子的捕获和操纵进行了初步实 验。 观察到光纤微透镜对粒子产生的光梯度力的作用; 以及通过全反射产生的倏 逝场对粒子定向运动的控制。 发展了基于时域有限差分法和ma x w a l l 应力张量积 分来计算微粒子受到光子力和力矩的数值分析方法。 并且用此方法对这两个实验 中的微粒子受到的光子力进行了分析。 经计算得到用光纤微透镜实现对粒子捕获 实验中， 微透镜和粒子的尺寸以及折射率对光力阱形成的影响。 通过计算设计了 利用载玻片基底的支撑来抵消轴向的推斥力以实现粒子的束缚方法。 另外对椭球 粒子在双微透镜产生的光场中受到的微力矩进行计算， 表明可以通过改变双光纤 微透镜输出的光场能量比来实现对椭球粒子的转动。 经计算还得到倏逝场中粒子 受 力 随 距 表 面 不 同 高 度 的 变 化 。 这 对 进 一 步 改 进 实 验 提 供 有 益 的 理 论 指 导 。 一 _ 本文的主要特色在于:/ 1 .首次观察到的平行排列于a f i 晶体孔道中的直径 0 .4 z n m的单壁碳纳米管的 在可见光波段有较强的光致发光现象。其光致发光现象与其一维结构的特性相 符。 采用近场光谱的方法观察到碳纳米管因长度方向的量子限效应导致其发光光 谱和吸收谱的兰移以及呈现一定能量间隔的峰结构。 2 .用修改和扩展了f d t d算法，实现了对色散介质的描述，首次使用此方法给 出了无孔n s o m的a t r 模式下金属表面等离子体波的产生、传播和散射特性。 3 .发展了基于f d t d和m a x w a l l 应力张量积分的计算微粒子受到光子力， 特别 是计算力矩的数值分析方法，己应用于对微粒子捕获和操纵实验的分析和设计。 中国科学技术大学博士学位论文摘要 ab s t r a c t s c a n n i n g n e a r - f i e l d o p t i c a l m i c r o s c o p y ( s n o m ) i s a n e w t y p e o f o p t i c a l m i c r o s c o p y w i t h s u p e r h i g h - r e s o l u t i o n . c o m b i n e d w i t h s p e c t r a l t e c h n o l o g i e s , s n o m s p e c t r o s c o p y i s a p p l i e d m o r e a n d m o r e w i d e l y i n r e s e a r c h w o r k , e s p e c i a l l y i t h a s b e c o m e a n o u t s t a n d i n g m e t h o d i n s t u d y i n g t h e o p t i c a l p r o p e r t i e s o f m a t e r i a l s i n n a n o m e t e r s c a l e . a s a r e s u l t o f r a p i d d e v e l o p i n g o f s n o m, n e a r - f i e l d o p t i c s i s b e c o m i n g a n e w b r a n c h o f o p t i c s . i n t h i s t h e s i s , t h e r e a r e m a i n l y t w o p a rt s a s s o c i a t e d t o n e a r - f i e ld o p t i c s t o p i c . f ir s t , w e e x p l o r e t h e p h o t o l u m i n e s c e n c e p r o p e r t i e s o f s i n g l e - w a l l e d c a r b o n n a n o t u b e s ( s wc n t s ) b y s n o m s p e c t r o s c o p y . s e c o n d , w e a n a ly s i s v a r i o u s n e a r - f i e l d s u b j e c t s t h e o r e t i c a l l y a n d n u m e r ic a l l y . b y s n o m s p e c t r o s c o p y , w e f o u n d s t r o n g v i s i b l e p l f o r m 0 .4 2 n m s wc n t s a l i g n e d i n t h e p a r a l l e l c h a n n e l s o f z e o l i t e c r y s t a l m a t r i x . i n e x p e r i m e n t , s t r o n g p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n c e i s o b s e r v e d b o t h o n t h e e x c i t a t i o n a n d t h e e m i s s i o n , w h i c h i s c o r r e s p o n d i n g t o t h e 1 d s t r u c t u r e o f s wc n t s , i n d i c a t i n g t h e i n t r i n s i c l i g h t e m i s s i o n . t h e p l e m i s s i o n s p e c t r a s h i ft t o b l u e b a n d , w h e n e x c i t e d b y u v 3 2 5 m n h e - c d l a s e r i n h i g h e r p o w e r d e n s i t y u t i l i z i n g t h e h i g h o p t i c a l c o n f i n e m e n t o f s n o m o p t i c a l f i b e r p r o b e . t h e s h i ft e d s p e c t r u m i s i r r e v e r s i b l e a n d m a i n l y c e n t e r e d a r o u n d 4 5 4 m n . t h e p l e m i s s i o n f r o m l e s s p e r f e c t s wc n t s d i s t r i b u t e s f r o m 6 2 2 n m t o 4 5 4 n m i n s p e c t r a , s h o w i n g s o m e r e g u l a r s p e c t r u m s t r u c t u r e . e x c i t e d b y h i g h e r p o w e r d e n s i t y u v l a s e r , t h e s p e c t r a f r o m l e s s p e r f e c t s a m p l e s h i ft t o b l u e b a n d a n d c e n t e r e d a r o u n d 4 5 4 n m t o o b y c o r r e l a t i n g w i t h t h e a b i n i t i o c a l c u l a t e d r e s u l t o f e n e r g y s t r u c t u r e a n d d e n s i t y o f s t a t e s f o r t h e t h r e e p o s s i b l e k i n d s o f t h e 0 .4 2 n m s wc n 毛w e d i s c u s s t h e m e c h a n i s m o f p l e m i s s i o n f r o m s wc n t s . me t a l l i c ( 5 , 0 ) c n t i s i d e n t i f i e d t o b e r e s p o n s i b l e t o t h e v i s i b l e p l e m i s s i o n . t h e p h o t o n e m i s s i o n t r a n s i t i o n s h o u l d h a p p e n b e t w e e n t h e v a n h o v e s i n g u l a r i t i e s i n e n e r g y s t r u c t u r e . s u ff e r i n g h i g h e r p o w e r d e n s i t y u v i r r a d i a t i o n , s wc n t s m a y b e s h o rt e n e d b y p o s s ib l e p h o t o c h e m i s t r y . t h e r e l e v a n t b a n d g a p o f s h o rt e n e d s wc n t s w i l l b e b r o a d e n e d a s t h e r e s u l t o f q u a n t u m s i z e c o n f i n e m e n t e ff e c t , w h i c h l e a d s t o t h e b l u e s h i ft o f b o t h t h e e mi s s i o n a n d t h e a b s o r p t i o n s p e c t r a . t h e r e s h o u l d e x i s t t h e s h o rt e s t l ig h t - e m i tt i n g s wc n t , c o r r e s p o n d i n g t o t h e 4 5 4 n m p l p e a k . t h e l e n g t h c h a n g e o f i m p e r f e c t s wc n t s m a y b n o t b e c o n t i n u o u s , t h e s p e c t r a s h o w r e g u l a r p e a k s e p a r a t i o n . t h e p l m e c h a n i s m a n a l y s i s i s c o n s i s t e n t w i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . f i n i t e - d i ff e r e n c e t i m e - d o m a i n me t h o d ( f d t d ) i s a n e w a n d p r e v a l e n t n u m e r i c a l m 中国科学技术大学博士学位论文摘要 c a l c u l a t i o n m e th o d . i t c o m e s d i r e c tl y fr o m t h e ma x w e l l e q u a t i o n s a n d g i v e t h e i n s t a n t a n e o u s e l e c t r o m a g n e t i c d i s t r ib u t i o n . i t h a s t h e h i g h a c c u r a c y a n d b r o a d a p p l i c a b i l i t y a n d i s q u i t e f it f o r n e a r - f i e l d o p t i c a l c a l c u l a t i o n . w e a n a l y s e s v a r i o u s n e a r - f i e l d o p t i c s s u b j e c t s u s i n g f d t d m e t h o d . s o m e m e a n i n g f u l r e s u l t s a r e o b t a i n e d , w h i c h a r e i n s t r u c t i v e f o r n e a r - f i e l d o p t i c a l e x p e r i m e n t . t h e o p t i c a l p r o b e i s t h e k e y c o m p o n e n t i n s n o m. t h e t r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c y a n d r e s o l u t i o n c a p a b i l it y o f t h e s n o m i s d e t e r m i n e d m a i n l y b y t h e p r o b e p a r a m e t e r s o f p r o b e p r o f i l e , a p e x d i a m e t e r a n d m e t a l c o a t i n g . t h e p o l a r i z a t i o n f e a t u r e o f t r a n s m i tt e d l i g h t i s a l s o i m p o r ta n t t o p i c . i n t h i s t h e s i s , t h e o p t i c a l t r a n s m i s s i o n p r o p e rt i e s o f m e t a l - c o a t e d a n d b a r e f i b e r p r o b e a r e c a l c u l a t e d u s i n g f d t d m e t h o d . t h e 3 d e l e c t r o m a g n e t i c d i s t r i b u t i o n fr o m t h e p r o b e a p e rt u r e i s o b t a i n e d , w h ic h i s q u i t e c o n s i s t e n t w i t h t h e r e s u l t s o b t a i n e d e m p l o y i n g p o l a r i z e d b o u n d a r y w a v e d i ff r a c t i o n m e t h o d b y j . p . x i e , a s w e l l a s t h e r e s u l t s u s i n g m u l t i p l e mu l t ip o l e m e t h o d b y l . n o v o t n y . a c c o r d i n g t o t h e c a l c u l a t i o n f o r p o l a r i z a t i o n r e s e r v i n g a b i l i t i e s o f t h e f i b e r p r o b e , t h e p r o b e a c t s l ik e w a v e p l a t e , w h i c h i s c o n s i s t e n t w i t h p o l a r i z a t i o n e x a m i n a t i o n i n e x p e r i m e n t . m o r e c a l c u l a t i o n i n d i c a t e s p r o b e o f 1 0 0 n m a p e rt u r e d i a m e t e r h a s l a r g e s t e x t i n c t i o n r a t i o . b a s e d o n t h e n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n o f e v a n e s c e n t w a v e , w e d i s c u s s t h e i m a g i n g m e c h a n i s m o f a p e rt u r e l e s s s n o m i m p l e m e n t e d b y i n t e rn a l t o t a l r e fl e c t io n o r b y m e t a l s u r f a c e p l a s m a . a c c o r d i n g t o t h e k i n e t i c s e q u a t i o n o f b o u n d e d e l e c t r o n , t h e f d t d m e t h o d i s m o d i f i e d a n d e x t e n d e d t o i m p l e me n t d i s p e r s i o n m a t e r i a l . s o t h a t t h e g e n e r a t i o n o f m e t a l s u r f a c e p l a s m a a s w e l l a s i t s p r o p a g a t i n g a n d s c a t t e r i n g b e h a v i o r i s s i m u l a t e d a t a t t e n u a t e d t o t a l r e fl e c t i o n s e t u p ( a t r ) . t h e e m d i s t r i b u t i o n o f s u r f a c e p l a s m a o v e r a 5 0 n m t h i c k s i l v e r l a y e r o n t h e p r i s m i s c a lc u l a t e d , w h i c h h a s o n l y 5 0 n m d e c a y d i s t a n c e . t h e e m i n t e n s i t y o f s u r f a c e p l a s m a i s 4 0 t i m e s a s m u c h a s t h e i n c i d e n t i n t e n s it y . t h e r e fl e c t e d l i g h t i s a t t e n u a t e d m o r e t h a n 6 0 % c o m p a r e d w i t h i n c i d e n t l i g h t . t h e s c a t t e r e d s u r f a c e p l a s m a b y m e t a l p a rt i c l e o n t h e s i l v e r l a y e r i s 7 t i m e a s i n t e n s i v e a s t h a t o n b a r e p r i s m . s t r o n g e r e m e n h a n c e m e n t b e t w e e n t h e m e t a l p a rt i c l e a n d t h e s i l v e r l a y e r i s f o u n d . e x p e r i m e n t s a r e c a r r i e d o u t t r y i n g t o t r a p a n d m o v e t r a n s p a r e n t m i c r o n l a t e x p a rt i c l e s . t h e p a rt i c l e s a r e o b s e r v e d m o v i n g t o t h e h i g h f o c u s e d l i g h t p o i n t c r e a t e d b y m i c r o f i b e r l e n s . i n t o t a l r e fl e c t g e n e r a t e d e v a n e s c e n t f i e l d , t h e p a r t i c l e s c a n b e c o n t r o l l e d m o v i n g t o w a r d s d e f i n e d d i r e c t i o n . b y i n t e g r a t i n g ma x w e l l s t r e s s t e n s o r w i t h f d t d c a l c u l a t i o n , t h e p h o t o n f o r c e a n d t o r q u e e x e rt e d o n p a rt i c l e s i n o p t i c a l f i e l d c a n b e s t u d i e d q u a n t i t a t i v e l y . e m p l o y i n g t h i s m e t h o d , t h e i n fl u e n c e b y s i z e a n d 甲 人 力 脚 t 甘 中国科学技术大学博士学位论文摘要 r e fl e c t i o n i n d e x o f m i c r o f i b e r le n s o n t h e n e c e s s a ry t r a p p i n g c o n d i t i o n i s a n a l y z e d . a t r a p p i n g s c h e m e u t i l i z i n g s u p p o rt i n g fr o m g l a s s s l i d e i s d e s i g n e d a c c o r d i n g t h e p h o t o n f o r c e c a l c u l a t i o n . t h e t o r q u e e x e rt e d o n e l l ip s e p a r t i c l e s i n o p t i c a l f i e l d fr o m t w o m i c r o f i b e r l e n s i s c a l c u l a t e d , s u g g e s t i n g t h a t e l l i p s e p a r t i c l e s c a n b e r o t a t e d b y c h a n g i n g t h e i n t e n s i t y r a t i o f r o m t h e t w o m i c r o f ib e r l e n s . t h e p h o t o n f o r c e v s . t h e p a rt i c l e - p r i s m d i s t a n c e i n e v a n e s c e n t f i e l d i s a l s o c a l c u l a t e d . t h e r e s u l t s a r e i n s t r u c t i v e f o r f u rt h e r e x p e r i m e n t . h i g h l i g h t s o f t h i s t h e s i s : 1 . i t i s d i s c o v e r e d f o r t h e f i r s t t i m e t h a t s wc n t s a l i g n e d i n z e o l i t e c r y s t a l g i v e o u t s t r o n g v i s i b l e p l , w h i c h i s c o r r e s p o n d i n g t o t h e 1 d s t r u c t u r e o f s wc n t s . t h e p l e m i s s i o n a n d a b s o r p t i o n s p e c t r a a r e f o u n d s h i ft i n g t o b l u e b a n d a n d s h o w i n g s o m e r e g u l a r s t r u c t u r e b y s n o m s p e c t r o s c o p y , w h i c h i s b e l i e v e d a s r e s u l t o f t h e q u a n t u m s i z e c o n f i n e m e n t e ff e c t in c n t l e n g t h . 2 . f d t d m e t h o d i s m o d i f i e d a n d e x t e n d e d t o i m p l e m e n t d i s p e r s i o n m a t e r i a l . u s i n g t h e m o d i f i e d f d t d m e t h o d , t h e g e n e r a t i o n o f m e t a l s u r f a c e p l a s m a a s w e l l a s it s p r o p a g a t in g a n d s c a tt e r i n g b e h a v i o r i s s i m u l a t e d a t a t r s e t u p . 3 . b y i n t e g r a t i n g m a x w e l l s t r e s s t e n s o r w i t h f d t d c a l c u l a t i o n , t h e p h o t o n f o r c e a n d t o r q u e e x e rt e d o n p a r t i c l e s i n o p t i c a l f i e l d a r e s t u d ie d q u a n t i t a t i v e l y f o r o p t i c a l t r a p p i n g a n d m o v i n g e x p e r i m e n t s . v 第一章绪论 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 卜1 近场扫描光学显微镜的发展概况 自从荷兰科学家冯列文虎克( v a nl o e u v e n h o o k ) 发明了第一台光学显微 镜，光学显微镜在人们认识微观世界的过程中开始扮演着越来越重要的角色。 5 0 0 年来，显微成像的技术的不断进步，使自然界丰富的微观信息以清晰的图 像形式呈现在人类面前。 在众多显微技术飞速发展的今天，光学显微镜以其独特的优点，始终成为 科学工作中不可替代的重要工具。相对于扫描电子显微镜s e m l l l ( s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 和扫描隧道显微镜s t m 2 1 ( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p y ) 等技术以电子为信息载体，光学显微技术则以光子为载体。光子没有质量也不 携带电荷，容易聚焦和改变方向甚至偏振状态；可以在大气中及许多介质中传 播，并且在与样品作用中不易造成对样品的损伤，对样品的限制极少，对样品 的形态、导电性甚至生物活性都没有要求；对观察环境也没有真空和温度的严 格限制。此外，许多样品都可以通过吸收、散射、反射、折射、偏振和光致效 应等与光发生作用或通过光来揭示样品丰富的物理、化学性质和变化。正是基 于上述优点，长期以来光学显微技术在医学、生物、化学、物理和材料科学研 究中成为应用最普遍同时又非常重要的关键技术。在非光学显微镜的分辨率已 经达到原子级( - 0 1 n m ) 的水平时，提高光学显微镜的分辨率仍有重大意义。 随着科学技术的发展，对光学显微镜的空间分辨率的要求在不断增加。3 0 0 年前，复合透镜的发明使传统光学显微镜的分辨率有了较大的提高。然而光学 成像的放大倍数是不能任意增大的，从1 8 0 0 年以后，传统光学显微镜的分辨率 已没有数量级的进步。其根本原因在于众所周知的光学衍射分辨极限。1 8 7 3 年 由德国科学家a b b e ”1 根据衍射理论认为：由于光波的衍射效应，传统光学显微 镜的分辨率不能超过光波波长的一半。后经瑞利归结为关于分辨极限的判据： 当来自相邻两物点的光的强度相等时，如一个物点的衍射光斑的主极大与另一 个物点的衍射光斑的第一极小恰好重合，便认为这两个物点的像刚好能被分辨 近场光学显徽镜的应用及近场光学计算 星二垩缝堡 主璺登堂夔丕盔堂竖主堂焦丝塞 开。该判据被后人广泛接受，并称其为瑞利判据【4 】。 在光学成像系统中，光瞳多呈圆形，由菲涅耳基尔霍夫衍射公式出发，圆 孔的夫琅和费衍射的强度分布可以表达为： 邶h 0 掣 2 m ， 其中x = 孕s i n 口，口是圆孔的半径，目是衍射角，j l ( 工) 是一阶贝塞尔函数。 圆孔衍射场由中心亮斑和外围一些同心环状条纹构成，其中的绝大部分能 量集中在零级衍射斑内。圆孔的零级衍射斑称为爱里斑( g b a i r y , 1 8 3 5 ) 。爱 里斑的角半径p ：罂。两个刚可以分辨的亮斑中心的角距离峨等于每个 z n a 斑的半角宽度p ：1 2 2 _ _ _ 2 a ，称为瑞利判据。 物镜 巾问像面 n z j 图1 1 传统光学显微镜的分辨本领”j 。 显微镜的分辨本领如图1 - l 说明，物点p 、q 发射的球面波经入射光瞳衍 射成像于像面形成爱里斑。爱里斑的角半径：a o ：婴，口是物镜的半径。 z n a 当p 的点的像点p 正好落在q 点产生的爱里斑边缘时，p 、q 两点刚刚可 以分辨，满足以上条件的距离p q = o y ，就是我们要求的显微镜最小分辨距离 砂。此时，在这对共轭点上满足阿贝正弦条件： s i n “砂= n t s i n u t 咖，并作近似s i n u “= a l ，于是可以得到显微镜的 可分辨的最小距离： 钞。：兰銎( 1 - 1 - 2 2 )砂。2 ：_ ) 2 近场光学显微镜的应用及近场光荸_ 十算 第一章绪论 中国科学技术大学博士学位论文 所以要提高显微镜的分辨本领，就应设法使砂。尽量小。为此，可行的措 施包括提高物方的折射率n ，比如在载物台和物镜之间滴油的高倍油浸物镜： 采用复合透镜，以加大显微镜的孔径角u ，但是这种改进也只能使数值孔径 na u m e r i c a la p e r t u r e ) = ns i n u 增大到1 5 左右，所以显微镜的分辨率达到其 最高限度，0 y 。z 0 4 a ，即半个波长量级，在可见光波段，a y 。o 2 t m 。进一 步措施就是缩短照明波长a ，例如透射电子显微镜t e m ( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ) ： 1 x 一射线显微镜等。近代透射电子显微镜t e m 利用电子束的波动 性成像，在几万伏的加速电压下电子束的波长在1 0 3 n l n 的量级，仪器最小分辨 率可以小到数个a 。 另一种提高显微镜分辨率的途径是采用探针扫描逐点成像的形式，这一类 以扫描隧道显微镜s t m 为代表的新一代扫描探针显微技术s p m t 5 ( s c a n n i n g p r o b em i c r o s c o p y ) 获得了迅速的发展，使人类在探索微观世界的进程上经历了 一场革命性的变化。扫描隧道显微镜s t m ，原子力显微镜a f m ( a t o m i cf o r c e m i c r o s c o p y ) 等扫描探针显微镜在一定条件下，可以获得具有原子分辨率的图 像。这些扫描成像技术的分辨能力主要取决于探针的几何尺寸而不受前述衍射 极限的制约，这一概念和技术的突破对纳米和纳米以下尺度物体的观察具有十 分重要的意义。 然而这些方法并没有完全取代光学显微镜，人们希望在获得高分辨率的同 时，又不牺牲光学显微镜，诸如非破坏性，低耗，高速，可靠性，通用性，简 易性等独特的优点。因而把光学显微镜的作用机制和扫描探针方法有机的结合 起来，进而产生了这一新的成像技术：扫描近场光学显微镜s n o m ( s c a r m 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 ) 或称近场扫描光学显微镜n s o m ( n e a r f i e l d s c a n n i n go p t i c a lm i c r o s c o p y ) ，前者强调扫描技术，后者强调近场。 最早在1 9 2 8 年，英国的申奇e h s y n g e 6 1 就在爱因斯坦的鼓励下，提出了 一种突破衍射极限的新型光学显微镜的设想，并预言该新型显微镜的分辨极限 可以达到0 叭u m ，甚至更好。 尽管申奇在论文中并没有给出近场光学的原理，可是实际上他已经相当完 整地提出了现代近场光学显微镜的要素和技术关键。他的最初设想是准备一个 在小范围的起伏小于几个纳米的透明生物切片样品；在其下面或者上面，放置 近场光学显微镜的应用及近场光学计算 第一章绪论中国科学技术大学博士学位论文 尽可能的接近而不接触。入射光通过该平板小孔照明样品，透过样品的光由显 微镜聚焦在光电池上。保持入射光强度不变，通过以1 0 n m 步距对样品做二维 扫描，通过记录光电池上光电流的大小，获得样品被扫描部分因明暗对比不同 而形成的图像。 图l 一2 示意申奇的这一构想。同时他也专门指出了新型显微镜在技术上的困 难：1 、要有足够强的光源；2 、样品和小孔板之间的距离至少可以在纳米的量 级上进行控制，并且要实现1 0 n m 量级的水平相对移动；3 、制各出大小为1 0 n m 图1 - 2 近场光学扫描显微镜的原理图 的小孔。由于当时的科学和技术发展水平的限制，上述困难还没办法克服。 1 9 5 0 年，r j m o o n 7 1 通过扫描个针孔得到了物体的显微图像，他认为用 此方法可以得到比常规显微镜更高的分辨率。1 9 5 6 年j a o k e e f e t 8 1 也独立地 提出了与申奇相同的概念，指出成像分辨率与孔径大小同一量级，与波长无关。 6 0 年代，激光器的发明解决了新型显微镜所需要强光源的困难。但是由于 其他技术上的困难，基于光学的s n o m 在当时还不能实现。但是工作在微波区 域的近场显微镜，于1 9 7 2 年由e a a s h 和g n i c h o l s 先研制成功【9 】。因为他们 采用的微波波长3 e r a ，远大于可见光波长，所以申奇所提出的技术困难可以轻 易地解决，他们用微波近场显微镜扫描成像了l m m ，0 7 5 m m ，o 5 m m 线宽的 金属光栅，在历史上第一个制造成了突破分辨极限的显微镜。 直到1 9 8 2 扫描隧道显微镜s t m 发明以后【2 l ，探针在样品表面以上几个纳 近场光学显微镜的应用及近场光学计算 第一章绪论中国科学技术大学博士学位论文 米距离上进行纳米步距的扫描技术才逐渐成熟，两年以后，即1 9 8 4 年，发 明s t m 的i b m 苏黎世研究实验室d wp o h l 等 1 0 】研制成首台近场扫描光学显 微镜，用