（光学专业论文）扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究.pdf

摘要 ! 扫描近场光学显微镜( s n o m ) 采用了全新的成象技术，突破了传统光学显微 镜中的瑞利衍射极限，能够得到亚波长和纳米量级的超分辨率，是一种极具潜 力的研究纳米材料，表面科学和生物工程的强有力工具。厂 、” 本文简要介绍了s n o m 的历史发展概况，基本原理和结构，综述了s n o m 在 科技领域的应用与前景。f s n o m 的分辨率是由探针孔径大小和观测距离所决定 的，也即由探针孔径的近场衍射图样的大小所决定。因此探针孔径近场衍射的 分析具有重要意义。本工作的目的是将边界波方法引入到近场衍射，形成近场 衍射的边界波处理方法。 本文的主要工作有三个部分首先对理想导体屏的直边衍射问题进行了深 入研究( 由于直边问题是衍射中最简单的情况，用它可以来检验各种衍射理论 的正确性研究表明，采用基尔霍夫边界条件的边界波理论所得到的直边衍射 振幅分布，和电偏振入射情况下严格电磁理论解所得到的电场分布一致；而采 用瑞利一索末菲边界条件的边界波理论所得到的直边衍射振幅分布，和磁偏振入 射情况下严格电磁理论解所得到的磁场分布是一致的这两种理论形式只是在 近场情况下存在区别，在远场时是一致的对直边问题的求解表明，边界波理 论对近场衍射是适用的广一 我们在边界衍射波中加入光波在金属屏边缘反射后位相变化的方法，重点 求解了在不同偏振情况下，狭缝和圆孔近场衍射的偏振效应。臼戋们得到，对于 垂直偏振光( 电分量垂直于入射面，即s 波) ，其衍射光大部分能量集中在孔径 几何投影的中央区域，呈钟形结构；而对平行偏振光( 电分量在入射面内，即p 波) ，则在靠近孔径边缘几何投影的地方出现极大值点呈凹陷结构。这与 ln o v o t n y 和a r o b e r t s 等人用其它方法得到的结果相一致。运用边界波理论 的优点是：在标量衍射理论框架内，考虑到不同偏振入射波所产生边界波的差 别就能对相应的衍射进行讨论，得到其偏振效应。一因此运用边界波方法使我们 对近场衍射有了一个更加深入的认识。， 最后考虑了狭缝衍射中的偏振效应与导体屏折射率的关系f 我们得到了不 同偏振入射( 即s 波和p 波) 情况下中央光强差值与金属折射率康部的解析关系 式在理想导体情况下，中央光强差值与金属折射率虚部是简单的反比关系我 们还得到了p 偏振入射情况下，其光强分布的尖峰距离与折射率虚部的函数关 系对于理想导体，它们也成反比关系通过数值计算表明，对于理想导体屏， p 波和s 波入射情况下的衍射光强分布的半高宽差值与金属折射率虚部成线性 正比关系； 、7 一 关键词边界衍射波，近场衍射，偏振效应，金属折射率 a b s t r a c t u s i n gc o m p l e t e l yi n n o v a t i v ei m a g i n gt e c h n o l o g y ，s c a n n i n gn e a r f i e l dm i c r o s c o p y ( s n o m ) c a l lp r o d u c es u b w a v e l e n g t hr e s o l u t i o n ，w h i c h o v e r c o m e st h e d i f 抒a c t i o nr e s o l u t i o nl i m i to fc 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 y , b e c o m i n gak i n do f e x t r e m e l yp o w e r f u lt 0 0 1i nt h ef i e l d so fn a n o m e t r i cm a t e r i a l ，s u r f a c es c i e n c ea n d b i o l o g i c a le n g i n e e r i n g i nt h i st h e s i s ，w eo u t l i n et h ed e v e l o p m e n to fs n o m ，b a s i cp r i n c i p l e sa n ds e t u p ， a n dt h e ns u m m a r i z ei t sp r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d so fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y t h er e s o l u t i o no fs n o mi sr e s t r i c t e db yt h es i z eo fp r o b ea p e r t u r ea n d o b s e r v a t i o nd i s t a n c e n a m e l y , d e t e r m i n e db yt h es i z eo fn e a r - f i e l dd i f f r a c t i o n ( n f d ) p a r e m s s ot h ea n a l y s i so fn e a r f i e l dd i f f r a c t i o ni sv e r yi m p o r t a n t 0 u ri n t e n t i o no f t h i sw o ki st oi n t r o d u c et h eb o u n d a r yw a v et h e o r yi n t ot h en e a r f i e l dd i f i r a c t i o n a n d t of o r mt h eb o u n d a r yw a v em e t l l o df o rn e a r - f i e l dd i f i r a c t i o n t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si n c l u d e st h r e ep a r t s a tf i r s t w es t u d yt h es t r a i g h t e d g ed i f f r a c t i o np r o b l e mo fi d e a lc o n d u c t i n gs c r e e nt h o r o u 曲l y f o ri ti st h es i m p l e s t c a s ei nt h ed i f i r a c t i o n ，s t r a i g h t e d g ep r o b l e mc a nb eu s e dt o t e s tt h ev a l i d i t yo f d i f f r a c t i o nt h e o r i e s o o rr e s e a r c hs h o w st h a tt h ea m p l i t u d ed i s t r i b u t i o no fs t r a i g h t e d g e d i f i r a c t i o n g i v e nb yb o u n d a r y w a v et h e o r yu n d e rk i r c h o f f sb o u n d a r y c o n d i t i o n si sc o i n c i d e n tw i t ht h ee l e c t r i cf i e l dg i v e nb yr i g i de l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y , a n dt h ea m p l i t u d ed i s t r i b u t i o ng i v e nb yb o u n d a r yw a v et h e o r yu n d e rr a y l e i g h s o m m e r f i e l d sb o u n d a r yc o n d i t i o n si sc o i n c i d e n tw i t ht h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n g i v e nb yr i g i de l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y t h e s et w of o r m so ft h e o r i e sh a v ed i f i e r e n c e o n l yi nt h en e a rf i e l d w h i c ha r ei d e n t i c a li nt h ef a rf i e l d n l es o l u t i o no fs t r a i g h t e d g e p r o b l e mp r o v e dt h a tt h eb o u n d a r yw a v em e t h o di sa l s oa p p l i c a b l ei nt h en e a rf i e l d i nt h es e c o n dp a r t ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ep h a s ec h a n g ew h e nt h eb o u n d a r yw a v e i ss c a a e r e da tt h ee d g eo fm e t a ls c r e e n ，w ep u tm u c hm o r ee m p h a s i so nt h es o l u t i o n o fp o l a r i z a t i o ne f f e c ti nn e a r f i e l dd i f i r a c t i o no fs l i ta n dt i r e u l a ra d e r t u r e w ef i n dt h a t t h ee n e r g yo fd i f f r a c t e dw a v eu n d e rs k e ：p t i c a li n c i d e n tl i g h t ( e l e c t r i cc o m p o n e n t v e r t i c a lt ot h ei n c i d e n tp l a n e ，c a l l e ds - w a v e ) ，i sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt l l ec e n t r a l a r e ao fa p e r t u r e sg e o m e t r i c a lp r o j e c f i o n ，w i t hab e l l - l i k es t r u c t u r e ；b u tf o rp a r a l l e l i n c i d e n t1 i g l t ( e l e c t r i cc o m p o n e n ti nt h ei n c i d e n tp l a n e , c a l l e dp - w a v e ) ，t h ee n e r g y d i s t r i b u t i o nh a st w op e a k sn e a rt h er e g i o no fa p e r t u r ee d g e sg e o m e t r i c a lp r o j e c t i o n ， w i t hav a l l e y 1 i k es t r u c t u r e n l e s er e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h a to fl n o v o t n ya n da r o b e r t sg o tb yo t h e rm e t h o d s b o u n d a r yw a v em e t h o dh a st h e f o l l o w i n ga d v a n t a g e ：c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n c eo fd i f f e r e n tp o l a r i z e di n c i d e n tl i g h t ， w ec a nd i s c u s st h er e l e v a n td i f f r a c t i o na n ds t u d yi t sp o l a r i z a t i o ne f f e c ti nt h es c a l a r t h e o r yf r a m e w eh a v eam o r ep r o f o u n du n d e r s t a n d i n go fn e a r - f i e l dd i f f r a c t i o nb y b o u n d a r yd i f f r a c t i o nm e t h o d f i n a l l y , w ec o n s i d e rt h er e l a t i o no fp o l a r i z a t i o ne f f e c tw i t ht h ei n d e xo fm e t a l s c r e e ni nt h es l i tn e a r - f i e l dd i f f r a c t i o n n l ea n a l y t i c a lr e l a t i o no fc e n t r a ll i g h ti n t e n s i t y d i 任b r e n c et ot h ei m a g i n a r yp a r to fm e t a li n d e xu n d e rd i f f e r e n tp o l a r i z e di n c i d e n c e l i ( n a m e l ys - w a v ea n dp w a v e ) a r eo b t a i n e d i tc a nb es i m p l i f i e dt oi n v e r s er e l a t i o nf o r i d e a lc o n d u c t o r w ea l s 0f i n da ni m p l i c i tf u n c t i o n a lr e l a t i o no ft h ep e a k - p e a k s e p a r a t i o no fp w a v e si n t e n s i t yd i s t r i b u t i o na n dt h ei n d e x si m a g i n a r yp a r t f o ri d e a l c o n d u c t o r , i ta l s oh a sa ni n v e r s ef o f i n b yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n w ek n o wt h a tt h e d i 丘b r e n c eo fd i f f r a c t i o ni n t e n s i t y sf w h mf f u l lw i d t hh a l fm a x i m u m ) o fp w a v e a n d 鼾w a v ei n c i d e n c ei sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h ei m a g i n a r yp a r to fi n d e xf o ri d e a l c o n d u c t o l k e yw o r d s ：b o u n d a r yd i f f r a c t e dw a v e ，n e a r - f i e l dd i f f r a c t i o n ，p o l a r i z a t i o ne f f e c t , m e t a li n d e x l 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 光学显微镜是一项应用范围非常广泛的技术按照经典光学的成像理论， 它的成像分辨率受到瑞利判据的限制【1 】，最小只能达到半个波长左右，大致为 2 0 0 5 0 0 n m ( 对可见光而言) 随着科学技术的发展，对光学显微镜的空间分辨率 的要求在不断增加例如现代半导体集成电路的线宽已达亚微米，生物科学的 发展也需要更高分辨率的成像工具 为了获得更高的分辨率，有两种途径：一是采用更短波长的照明，例如电 子显微镜和x 射线显微镜：第二种包括许多形式的扫描探针显微镜【2 】，典型例 子是扫描隧道显微镜s t m ( 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 ) 3 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，这就产生了扫描 近场光学显微镜s n o m ( s c a r m i n gn e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p y ) 这一新的成像技 术 早在1 9 2 8 年，e h s y n g e 4 就提出了一种突破衍射极限的设想：利用一线 度远小于入射光波长的小孔被入射光照明作为光源，使其与待测样品的距离也 保持在小于波长的范围之内，不通过透镜成像，穿过样品携带物信息的出射光 被探测孔径接受，从而得到物体表面精细结构的成像，这就是最初扫描光学显 微镜的概念( 见图1 1 ) 到1 9 5 6 年o k e e f e 5 又重新提出了这一概念，指出成像 分辨率与孔径大小同一量级，而与波长无关。由于相关技术上的困难，直到1 9 8 2 发明了s t m 以后，这个设想才成为现实【6 ，7 】 继1 9 8 6 年g b i n n i n g 等人发明扫描隧道显微镜而获得诺贝尔奖之后，在显微 技术领域发生了新的革命先后出现了一系列扫描光学显微镜s o m ( s c a n n i n g o p t i c a lm i c r o s c o p e ) ，主要分为两大类：一类是光子扫描隧道显微镜p s t m ( p h o t o n 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究 釜二童堡迨 主垦型堂堇查盔堂亟主堂鱼坠苤 s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ) ，另一类是扫描近场光学显微镜s n o m 这两种 方案都能提供超越经典衍射极限的光学成像分辨率 1iiil 匪面亟困 二二二 c = 二= = = = = = = 了n e a rf i e l d f a rf i e l d o n ew a v e i e n g t h 图1 1 近场光学扫描显微镜的概念和模型 扫描近场光学显微镜s n o m 是利用光纤拉锥并镀上铝膜的光纤探针在样品 的近场区域扫描成像其横向分辨率可达十几纳米，纵向分辨率可达一个纳米它 已经引起人们的普遍关注，并且得到越来越多的应用，已逐步成为研究表面科 学，纳米材料，生物工程等领域强而有力的工具 随着技术改进的同时，近场衍射的理论也逐步发展起来为了计算s n o m 中检测到的信号，我们必须求解样品，自由空间，探针，以及光纤内部之间满 足一定边界条件的m a x w e l l 方程组，得到体系的电磁场分布要想建立同一模 型进行严格求解是一件非常困难的工作目前的理论都是按照重点不同，做某 些合理的近似现在近场理论大抵可以分为整体和局部，宏观和微观四类其 中局域宏观理论最简单直接这个理论先要求出样品表面场的分布，然后用所 建立的探针模型计算耦合到探针中的场，就得到所需的成像信号这个理论可 以进一步简化为有厚度金属屏上小孔对入射平面波的衍射问题，其中孔径 a a ( 其中五为入射光波长) 这个模型直接来源于e h s y n g e 的设想，也最具 有代表性 金属屏上小孔的衍射问题的解决方法中，以g r e e n 函数和波导求解方法最 为成功目前已发展出多重偶极子方法( m m p ) ，波束传播法( b m p ) ，自洽积 分方程法，边界元法和时域有限差分法 8 ，9 】由于s n o m 系统边界条件的复杂 性，这些方法计算复杂，冗长，程序常常需要在大型机上运行，很不便于实验 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究 2 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 室中的实际运用本课题组运用成熟的傅里叶光学方法，已发展了近场衍射图 样的抽样定理处理方法【1 0 】 在本文中，我们首次把衍射的边界波理论运用到近场中边界波是比较新 颖的方法由m a g g i ，r u b i n n o w i c z ，m i y a m o t o ，e w o l f f l l 】等人在2 0 世纪中叶发 展成熟它把衍射场看作是入射光波的几何投影与边界小孔上散射波的相干叠 加( 见图1 2 ) 我们对近场情况下的衍射场分布进行了计算，和已有的理论及 实验 1 2 1 进行了比较，结果符合的很好 偏振效应是近场衍射中一个比较复杂而且有意义的现象由于电场切向分 量在边界上是连续的，s 偏振光( 电分量垂直于入射面) 的出射能流曲线在边界附 近也上连续的，并且大部分能量集中在孔径的中央区域而对p 一偏振光( 电分 图1 2 边界波衍射光路图 量在入射面内) ，则在靠近孔径边缘的地方出现极大值点它的透射率远大于s 一 偏振光因为在p 偏振情况下的波导近似没有截止频率近来的实验表明，在 p 偏振模式下工作，可以得到更好的相衬度运用边界波理论的优点是：考虑 不同偏振的散射波的位相和反射率差别就能对相应的衍射进行讨论，也即近场 衍射的偏振效应因此运用边界波方法使我们对近场衍射有了一个更加深入的 认识 本文分为以下几个部分第二章对扫描近场光学显微镜的发展历史，结构， 关键技术及应用前景作一简要介绍；第三章对边界波理论作较为完整的论述。 把它推广到r a y l e i g h s o m m e r f i e l d 边界条件；在第四章中，我们把边界波理论 运用到理想导体屏的直边问题，得到基尔霍夫形式的边界波理论给出的场分布 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究 3 筮二童缝迨 主垦型堂垫查盔堂亟主堂焦鲨窒 与电偏振情况的电场值符合得比较好，而瑞利一索末菲形式的边界波理论给出的 场分布则与磁偏振情况的磁场值符合得比较好；在第五章我们对狭缝和圆孔的 近场衍射图样进行了计算，并与m a s s e y 1 2 的实验结果做了比较。在相同参数( 缝 宽，波长，观测距离) 情况下，所得光强分布的半高宽差值符合得很好，从而证 明在近场情况下，边界波理论是同样适用的；第六章对在不同偏振光入射情况 下狭缝和圆孔的近场衍射图样进行了计算。我们发现，对s 偏振光，它的衍射 光强分布呈“钟”形结构，衍射光能量大部分集中在孔径几何投影的中央区域， 而p 偏振入射光则在靠近孔径边缘几何投影的附近出现极大值，呈凹形结构， 这与文献【1 3 ，1 4 】用电磁理论方法得到的结果是一致的；最后，我们对不同偏振 情况下衍射图样与金属折射率虚部舭的关系进行了数值求解和讨论。对s 一偏振 和p 一偏振情况下的零点光强，它们的差值和金属折射率虚部m 存在解析形式的 函数关系，对理想导体，这一关系可以化为简单的反比关系。对p 偏振衍射光 强分布的尖峰差距，在理想导体近似下，也与金属折射率虚部础成反比关系。 对理想导体的在s 偏振和p 偏振情况下的光强半高宽，其差值与金属折射率虚 部腑成简单的正比关系。 参考文献： 【1 e a b b e ，a r c h i v m i k r o s a n a t 9 ，4 1 3 ( 1 8 7 3 ) 【2 h k w i c k r a m a s i n g h e ，e d ，s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p y ( a m e r i c a ni n s t i t u t eo f p h y s i c s n e wy o r k1 9 9 2 ) 【3 g b i n n i g ，h ，r o h r e r , c h g e r b e r ，e w e i b e i ，p h y s r e v l e t t 4 9 5 7 ( 1 9 8 2 ) 【4 】e h s y n g e ，p h i l o s m a g 6 ，3 5 6 ( 1 9 2 8 ) 【5 j a o k e e f e ，j o p t s o c a m ，4 6 ，3 5 9 ( 1 9 5 6 ) 6 】6d wp h o l ，w d e n ka n dm l a n z ，a p p l p h y s l e t t ，4 4 ，6 5 1 ( 1 9 8 4 ) 【7 】u d u r i g ，d w p h o l a n d e r o h n e r , j , a p p l p h y s ，5 9 ，3 3 1 8 ( 1 9 8 6 ) 【8 】e v a s i l y e v aa n da t a f l o v e ，t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l i n go fa m p l i t u d eo b j e c t i m a g i n gi ns c a n n i n gn e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p y o p t l e t t ，1 9 9 8 ，2 3 ：11 5 5 - 1 1 5 7 9 】a t a f l o v ec o m p u t a t i o n a le l e c t r o d y n a m i c s t h ef i n i t ed i f f e r e n c et i m e d o m a i n 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究4 第章绪论中国科学技术大学硕士学位论文 m e t h o d ，a r t e c hh o u s e ，n o r w o o d ，m a s s ，1 9 9 5 ，1 0 7 - 2 0 1 【1 0 】谢建平，方晖，王守涛，吴卫民等，五肠缈射图斧钓描摧毫氇处銎方搓，a c t a o p t i c as i n i c a ，v 0 1 19n o 6 ，19 9 9 1 1 】a r u b i r m o w i c z ，t h em i y a m o t o w o l f d i f f r a c t i o nw a v e ，i ne w o l f e d i t e dp r o g r e s s i no p t i c s ，v 0 1 i v ，n o r t hh o l l a n dp u b j i s h j n gc o m p a n y , a m s t e r d a m ， 19 6 5 1 2 g a m a s s a y , j a d a n sa n ds m k a t n i k ，a p p l o p t ，2 4 ，1 4 8 9 ( 1 9 8 5 ) 1 3 l n o v o t n y ，d w p o h l ，p r e g l i ，u l t r a m i c r o s c o p y ，5 7 ( 1 9 9 5 ) 1 8 0 1 8 8 1 4 a r o b e , s ，j a p p l p h y s ，6 5 ( 8 ) ，2 8 9 6 ( 1 9 8 9 ) 第二章扫描近场光学显微镜 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章扫描近场光学显微镜 1 扫描近场光学显微镜的发展概况 扫描近场光学显微镜( s n o m ) 采用了一种全新的成像技术，超越了常规的阿 ( a b b e ) 衍射极限，能得n d , 于波长的分辨率成像。是一种极具潜力的研究纳 米级物质结构的工具。 从傅里叶光学 1 】可以知道，光学显微镜的衍射分辨率极限主要是来自于这 样一个假设：探测器( 如透镜) 一般远离样品好几个波长，它只能接受到物体的 11 传播波( 正 ) 成分，因而只能获得波长2 l 几 量级的分辨率。然而，用光源或者光探测器在非常靠近样品的地方横向扫描， 让探测器能接受到样品的倏逝波，就可以得到只依赖与探针尺寸和探针样品间 距的分辨率成像。在1 9 5 6 年，o k e e f e 【2 】提出了超越瑞利极限的概念。直到1 9 7 2 年，a s h 和n i c h o l s 3 j 按照这种想法在微波波段( 五= 3 c m ) ，用直径d = 1 5 r a m 的 小孔，成功解决了线宽和槽宽分别为l m m ，o 7 5 r a m ，o 5 r a m 的光栅成像，得到 了旯6 0 的分辨率。接着在1 9 8 5 年，g a m a s s e y 4 等人利用波长a = 1 1 8 8 u m 的 远红外激光器作为光源，照射金属屏上宽为1 0 , o n 的狭缝，并利用一个完全相同 的狭逢在屏后进行扫描成像，得到了3 0 o n 左右的分辨率。同时证实要得到这样 高的分辨率，两金属屏之间的距离必须控制在半个波长以内。d w p h o l 5 等人 制作了如下探针：把切割成1 0 m m 长，2 r a m 宽的石英晶体放在h f ( 氢氟酸) 溶液 中各向异性腐蚀，得到一曲率半径为3 0 n m 的尖，石英的另一端则打磨成光学平 面，在锥尖和石英晶体周围覆上一层铬，和一层不通光的银或铝膜 ( 5 0 0 - - - 1 0 0 0 n m ) ，然后在压电晶体控制下使锥端偏下，与玻璃片挤压变薄，使锥 光端可以通光。采用扫描隧道显微镜( s t m ) 的扫描控制技术，以波长a = 4 8 8 n m 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究 6 第二章扫描近场光学显微镜 中国科学技术大学硕士学位论文 的氩离子激光器做光源，扫描一金膜层的样品，成功观察到了2 5 n r a 的结构。在 1 9 9 1 年，e b e t z i g 6 等制作了如下探针：把一根单模光纤在c 0 2 激光器照射下 熔拉，所得探针的针尖端面垂直与光纤轴线，然后在针尖周围均匀地镀上一层 厚度约为l o o n m 的铝膜，而端面则作为光的透射孔径。该孔径直径可以很方便 的在 5 0 0 r i m 可调。利用剪切力反馈技术扫描，得到了大约1 2 r i m 的分 辨率( 波长a = 5 1 4 5 n m ) 。而且这种探针得到的出射光强比以往提高了l0 4 1 0 5 倍。目前这种s n o m 在诸如磁光介质高密存储，分子荧光探测，生物活性组织 研究等领域均有许多实际应用。 2s n o m 系统的基本结构和原理 扫描近场光学显微镜( s n o m ) 的典型装置如图2 i 所示。 图2 ，1s n o m 装置图 在图中圆圈所表示的光纤锥和样品的装置上，激光偶合到镀上铝膜的光纤 近场探针内，耦合光通过探针小孔和样品后，透射的光由一个传统的物镜收集。 用一台微机控制压电晶体来进行扫描，并利用样品和探针之间的剪切力来自动 调整它们之间的相对距离，使其保持为固定值，同时进行数据采样，输出信息 图象。 扫描探针显微镜主要有以下四种几何光路( 如图2 2 ) ：( a ) 照明式 ( i l l u m i n a t i o nm o d e ) ；( b ) 收集式( c o l l e c t i o nm o d e ) ；( c ) 反射式( o b l i q u er e f l e c t i o n m o d e ) 和( d ) 全反射式( r e f l e c t i o nm o d e ) 。 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究7 第二章扫描近场光学显微镜 中国科学技术大学硕士学位论文 ( a ) 二二 压匦巫 二= ( b ) 二玉亟亟亘二二 图2 2s n o m 几何光路图 ( a ) i l l u m i n a t i o nm o d e ( b ) c o l l e c t i o nm o d e ( c ) o b l i q u er e f l e c t i o nm o d e ( d ) r e f l e c t i o nm o d e s n o m 的近场衍射的基本模型如图2 3 所示。沿z 方向入射的光波通过一个 不透明屏上的小孑l 照射到屏后的待测样品上，如果孔的线度g l d ( a _ 1 。根据傅里叶光学可以知道，这时候倏逝波( e v a n e s c e n t a w a v e ) 在衍射场中将占主要部分。把孔径和样品的距离调整到近场范围，例如对 波长为a = 5 0 0 r i m 的入射光，孔径口= 2 0 n m 时，使距离= l o n m 5 。假定样品 的透射率函数为t ( x ，y ) ，则在紧贴样品后的场为【4 】 e ( x ，y ) ：r ( x ，y ) e o r e c f ( 鱼) r e 甜( 生丑) aa ( 2 1 ) 假定投射、函数t ( x ，y ) 的主要分量的周期比孔径a 大，则在远场处的光检测器的 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究 第二章扫描近场光学显微镜 中国科学技术大学硕士学位论文 输出正比与 s ( x o ，y o ) = 口4t ( x o ，y o ) 1 2 ( 2 2 ) 当孔径在近场对丁( x ，y ) 扫描时，就可以在远场得到具有孔径大小分辨率的成像。 图2 3s n o m 近场衍射的基本模型 3 扫描近场光学显微镜的关键技术 、 要想在可见波段成功的实现s n o m 成像，必须考虑到探针的形状，装置的 可靠性和稳定性，扫描距离调整及微定位，信号检测等，而由于s n o m 必须用 小尺度光源在近场范围内扫描，所以距离的微调整和探针制作是两大关键技术。 在垂直于样品表面的方向上的近场中，对探针与样品之间的距离是高度灵 敏的。所以在扫描过程中探针样品之间的相对距离必须保持不边，这样倏逝波 分量就能反映出乎坦表面样品的横向分辨率，它的精细结构就能够被观测到。 因此通常要采用独立的距离调整机制来保持探针样品间距。可以采用剪切力反 馈调整机制【8 】，用一个压电晶体驱动光纤探针在平行与样品表面方向上以共振 频率振动。当探针接近与样品表面数十纳米时，由于样品探针之间剪切力的作 用，振幅和位相都有一个移动，处于共振线宽之外。这些参数的变化能够由微 分干涉仪或者由探针上散射出来的光方便的检测出来。 由于探针是作为近场扫描光源使用的，它的尺寸必须远小于可见光波长， 而且出射光强要很大，光束质量要好，这样就对光纤探针的制作提出了很高的 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究 9 第二章扫描近场光学显微镜 中国科学技术大学硕士学位论文 要求。现在一般采用熔拉法：把一根单模光纤在c o ：激光束照射下，利用微小 拉伸器把光纤拉制成锥状，使得探针的针尖端面垂直与光纤轴线，然后用镀膜 机在针尖周围均匀地镀上一层厚度约为1 0 0 n m 的铝膜，而端面则做为光的透射 小孔。用这种方法得到的探针透射光强比以往其他方法下制得的探针的透射光 强高1 0 ，倍。光纤探针的几何形状也值得讨论。有计算表明，抛物面形探针具 有更大的耦合效率【8 】。 4 扫描近场光学显微镜中的光学相衬机制 虽然高分辨率显微技术，如电子显微镜( e m ) ，扫描隧道显微镜( s t m ) 和原 子力显微镜( a f m ) ，也能得到大约1 2 n m 左右的成像分辨率。但是，与这些方 法不同，s n o m 继承了普通光学显微镜的许多优点，因而具有极好的应用前景。 s n o m 具有很好的可靠性，稳定性，易操作性，而且成像快速，对样品表 面没有损伤。它最主要的特点是可以获得超越瑞利极限的分辨率，目前已达到 1 0 n m 的横向分辨率 9 。s n o m 的另外一个重要特点是它具有多种相衬成像机 制，主要有强度，位相，偏振和荧光等相衬成像机制。 早期发展的和大多数现在采用的s n o m 实验都是基于强度相衬成像，但是 当待测样品存在其它物理效应时，使得这种成像的描述变得更加复杂起来，例 如金属样品成像对入射光及检测光的偏振通常是非常灵敏的，这就需要其它的 相衬成像机带l j 1 0 1 。 基于折射率实部变化的近场成像反衬度很高，b e t z i g 1 1 1 检测了感光树脂的 细致形貌。耦合到探针中的光强极大地依赖于样品的折射率，一般来说在高折 射率区样品和探针之间有更强的耦合，得到更高的亮度。由折射率实部变化形 成的位相相衬在低对比度的生物体观察和光波导的测量研究上有非常重要的实 用价值。 s n o m 很宜于偏振相衬成像，在样品前后的光路中各加起偏器和检偏器等 元件就可以方便的实现偏振相衬成像。b e t z i g 7 对制于玻璃基片上的2 0 n m 高， 直径为l a n 的铝圆环样品和探针之间不同偏振态光情况下的耦合做了系统研 究：当入射光和检测光的偏振相互垂直时，在成像图中4 5 方向上有亮斑，很明 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究 第二章扫描近场光学显微镜 中国科学技术大学硕士学位论文 显，金属圆环引起了偏振的部分旋转；而当入射光和检测光的偏振平行时，金 属圆环与电场平行方向上成像为暗的，而与电场垂直方向为亮的；用圆偏振光 得到的是铝环的完整形貌。这些都有力证明了偏振的依赖效应，因为铝环具有 很强的金属性，不同偏振状态的光具有不同的边界条件。偏振效应在近场成像 中非常重要，虽然它使得成像的描述更加复杂，但却是获取样品物理特性的一 种有效方法。作为一个强有力的工具，s n o m 的偏振成像可以用来研究磁性材 料，半导体材料和进行单分子检测。 从生物学的角度看，荧光是最最要的相衬机制。在许多场合，已经发展出 了有特殊用途的荧光探针。b e t z i g 1 2 等已经获得了灵敏荧光分子的成像：他们 将c a r b o c y a n i n e 分子以2 0 分子n m 2 的密度散布在p m m a 膜上，用荧光s n o m 成像可以获得单个分子的偶极子方向，这表明荧光样品的的高分辨率成像已经 成为可能。 另外近场光的颜色对比能够很容易插进滤光片、分光镜或色散装置而检测 到，颜色对比度可从特定的光谱反应得到加强，s n o m 的应用能够在微波、远 近红外、可见光和紫外光得到发展。如果样品结构随时间变化，s n o m 成像中 的时间相衬是一种新的成像机制。例如，它在研究输运过程的产生、发展以及 半导体中的驰豫等研究中非常有价值。在单分子测量中，动力学研究是研究分 子寿命和不同条件对动力学反映的影响的基础性研究，而s n o m 的时间分辨领 域能够使研究深入到系统的动力研究范围。 5 扫描近场光学显微镜的应用领域 自从s n o m 诞生以来，得到了广泛的重视，并在不少领域有了越来越多的 实际应用。 材料科学的进展很大程度上依赖于新的光学特征识别方法的进步。近场技 术，特别是近场局部的光谱技术能够从物质和非均匀环境中抽出微结构，同时 要指出的是对高质量的检测总是要求低温环境，因为在低温状态下，谱线分辨 本领和光强传输效率都能得到了本质的提高。 j a c k s o n 1 2 采用剪切力控制的s n o m 对光波导进行了研究：他们分别利用 扫描近场光学显微镜中衍射偏振效应的研究 第二章扫描近场光学显微镜 中国科学技术大学硕士学位论文 等高度扫描和等强度扫描两种方法，从所形成的波导表面二维光强图象可以得 到波导构形和电介质信息，这些信息能够表征波导表面起伏，表面缺陷，折射 率不均匀性，模式变化引进的横向电场不同等等；而b u r r a t o 1 3 贝, l j 成功地把近 场光电导技术运用到i n g a a s p 量子阱激光器的检测中，能够得到比以往所用方 法更为清晰的光电流成像，清楚的显示了多量子阱激光器中载流子的输运过程， 并得到载流子的泄露，分离和生长不均匀性等信息，以及p n 结的总体特性。 由于可擦除磁光数据存储设备的高比特密度，可望在某些应用中代替传统 的磁盘。当前几乎所有的磁光存储设备都要受到衍射极限的限制，人们期望用 等短波长光源，如g a n 蓝光激光和高数值孔径透镜来提高存储密度，但突破性 的进展需要全新的原理和技术。最近b e t z i g 等人 1 4 】用s n o m 进行了数据刻入 和旋光检测。在成像模式下，得到了3 0 h m 5 n m 的分辨率，而在刻入模式下， 得到了低于6 0 h m 的刻入点。并且获得了4 5 g b i t s i n 2 的数据密度，远高于