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传统光学显微镜与近场光学显微镜祝生祥(同济大学 Po h l 固体物理研究所, 上海200092)摘要: 近场光学显微镜是对于常规光学显微镜的革命。 它不用光学透镜成像, 而用探针的针尖在样品表面上方扫描获得样品表面的信息。分析了传统光学 显微镜与近场光学显微镜成像原理的物理本质和两种显微镜系统结构的异同 点。介绍了光纤探针的制作方法。重点讨论了近场探测原理、光学隧道效应及非 辐射场的性质。关键词: 扫描近场光学显微镜, 光学显微镜, 近场探测原理, 悬臂式光纤探 针。O p t ica l m icro scopy an d n ea r- f ie ld op t ica l m icro scopyZ H U S h en g x ia n g(Po h l In st itu te o f So lid S ta te P h y sic s, T o ng ji U n ive r sity, Sh angh a i 200092)A bstra c t: N ea r2f ie ld op t ica l m ic ro scop y is a revo lu t io n in th e dom a in o f th e op t ica lm ic ro scop y. B a sed o n scan n in g sam p le su rface s u sin g th e t ip o f op t ica l p ro b e, it o b ta in ed th e im ag in e in fo rm a t io n abo u t th e o b jec t su rface. T h e e ssen t ia l p r in c ip le an d sy stem st ru c tu rew e re com p a red in comm o n op t ica l m ic ro scop y an d n ea r2f ie ldin t ro du ced th a t m e tho d s o f th e fab r ica t io n o f op t ica l f ib e r p ro b e s. th e p r in c ip le o f n ea r f ie ld de tec t io n an d th e op t ica l tu n n e lin gd iscu ssed th a t p rop e r t ie s o f no n 2rad ia t in g f ie ld s.op t ica l m ic ro scop y. It isIt is m a in ly d iscu ssed th a t effec t. It is em p h a t ica llyKey word s: scan n in g n ea r2f ie ld op t ica l m ic ro scop y, op t ica l m ic ro scop y, p r in c ip le o f n ea rf ie ld de tec t io n , can t ileve red op t ica l f ib e r p ro b e.1引言传统光学显微镜是显微镜家族里最年长的成员, 迄今已有几百年的历史。它曾经是观测微小结构的唯一手段。传统的光学显微镜以光学透镜为主体, 利用透镜将物体放大或成像。一般 地讲, 单个透镜能将物体放大几十倍, 使用透镜组合几乎可放大到近千倍。 光的衍射效应限制 了光学显微镜进一步提高分辨力的可能性。 这就是瑞利分辨力极限。国家自然科学基金资助项目( 69877014)35第 6 期祝生祥: 传统光学显微镜与近场光学显微镜1982 年, 瑞 士 苏 黎 世IBM 的 G1B in n in g 和 H 1R o h re r1等 发 明 了 扫 描 隧 道 显 微 镜(STM ) , 极大地提高了观测灵敏度, 其横向分辨力达到 0101nm , 纵向分辨力为 01001nm , 比传统的电子显微镜提高两个数量级2 。这是显微镜发展史上的一个重要的里程碑。以后相继出现 了同 STM 技术相似的新型扫描探针显微镜 (SPM ) 3 。SPM 不采用物镜成像, 而用探针的针尖在样品表面上方扫描来获得样品表面的信息。 不同类型的 SPM 主要表现在针尖的特性不同、针尖与样品之间的相互作用性质不同。以原子力 显微镜 (A FM ) 为代表的扫描力显微镜 (SFM ) 通过控制、检测针尖与样品间的相互作用力 ( 如:原子间的斥力、摩擦力、弹力、范德瓦耳斯力、磁力和静电力等) , 分析研究样品表面的性质。A FM 的横向分辨力可达 2nm , 纵向分辨力为 0101nm , 超过了普通扫描电子显微镜的分辨力,而A FM 对工作环境和样品制备的要求却很少。扫描隧道显微镜 (STM ) 的成果很快被应用到光学领域, 极大地推动了近场光学显微镜 (SN OM ) 的发展。 1984 年, 瑞士苏黎世 IBM 的D 1Po h l 等人利用微孔径作为微探针制成了第 一台近场光学显微镜4 。 同时, 美国康奈尔大学的 E 1B e tzig 等也制成了用微管 (m ic rop ip e t te) 作探针的近场光学显微镜5 。 随后, 各种各样的近场光学显微镜逐渐走向成功, 开始应用于表面超精细结构的光学现象观测校样。 文中还介绍了近场光学显微镜的最新动态等。2传统光学显微镜概述传统的光学显微镜由光学透镜组成。 利用材料的折射率和透镜的曲率将被观察物体放大以获得其细节信息。 然而, 光学显微镜的放大倍数不能任意增大, 它要受到光学衍射极限的限 制。德国物理学家阿贝 ( E. A b b e ) , 用衍射理论预言了分辨力极限的存在。 以后瑞利 (L. R ay le igh ) 用简明的公式表述如下:r 1122(1)2n sin 其中 r 为两点间的距离, 为光束的波长, n 为介质的折射率, 为将光束收集和聚焦到探测器的透镜的半角孔径。 它规定了两点刚好被分辨的距离, 该量由成像系统参数所决定。 上述不等式说明为提高分辨力 ( 即减小距离 r) , 只能够通过以下三个途径: ( 1) 选择更短的波长 (若选择 u v 电磁辐射、x 射线、或电子束会更有效)。 (2) 为提高 n , 用折射率很高的材料工作。 这是浸油显微镜的原理, 由A m ic i 在 19 世纪中叶发明。 (3) 增大显微镜的孔径角。 电子显微镜用电子束代替光束, 使得分辨力大大提高。应该注意到瑞利判据是建立在传播波的假设下, 如果能够探测非辐射场, 那么就能期望规避瑞利判据而且完全突破衍射壁垒的限 制。我们知道, 通过任何成像系统的信息变换都可由一个表征物体特征的函数与表征仪器性质的仪器函数之乘积表示。前一个函数与物体的空间频率相关, 后一个表示物体对每一个空间 频率的变换系数。一般地说, 对低空间频率变换系数接近于 1, 高空间频率时它就下降到 0。由此, 可以确定一个截止频率, 超过它时没有信息被传输。这个仪器函数叫做传递函数, 不管成像系统结构如何以及怎样照明物体, 它是唯一的和完全确定的。 换句话说, 知道了物体结构和传 递函数就可能十分精确地预言像的强度分布。 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 36光 学 仪 器第 22 卷对于成像系统能够定义唯一一个传递函数。 由这个性质可引出如下结论: 物体与探测器(这里就是显微镜物镜) 之间没有任何相互作用。 换句话说, 物体发射的光在成像时没有 (或者 几乎很少) 受到物境的扰动。当然, 这个性质也可以被理解为: 因为传播, 光从物体到达透镜。但 从物境到达物体的光的数量极其微弱。用数学术语我们可以说, 在普通光学显微镜中信息传递 本质上是非对称的: 信息只从物体到达探测器。 若改变探测一收集系统, 我们就改变了系统的滤波特性, 但是物与像的关系保持线性。 这个性质非常重要, 它使我们能够期望得到任意精度 的像。3近场光学显微镜原理311 近场与远场我们可将成像过程理解如下: 当一个光源发射的光子或电子投射到目标物体后, 经过反 射, 被某种探测器所俘获或接收 (如观察者的眼睛或照相机)。由于反射粒子的轨迹和数量与物体的性质有关, 粒子束就携带了关于物体特性的信息。我们称在一个目标上的投影为“像”。在 物理上, 物体和像是极其不同的: 物体一般是三维的; 而像通常是与物体结构相关物理量的二 维投影, 因为纪录介质是二维的。 这个物理量一般是光强, 因为探测器只对光强敏感。 我们若用与物体相关的光场来代替物体本身, 就可能研究物场与像场关系, 即物场强度与其在像平面 上强度之间的关系。然而, 首先需要回答的问题是: 物体结构与物体的光场之间是什么关系? 原则上, 麦克斯韦方程组提供了研究这个问题的途径: 在外部电磁场作用下, 物体内部的电子电流或电荷密度的分布变化; 振荡的电荷和电流又会引起电磁场的变化, 使其能够从物体表面传 播到外部空间。 根据连续性原理, 似乎可逻辑地推理得出以下结论: 由极其靠近物体的空间场分布可以还原出物体表面的电荷和电流的分布。 由于电荷或电流分布仅在极小的距离上变化(一般小于波长的距离) , 我们同样假设“极其靠近物体的空间场”也只在这样小的距离上变化。 然而, 这个推理与实际观测和分析的结果矛盾。 事实上, 我们能够探测的最小距离总是要大于 半个波长。直到目前为止, 所有的观察、分析和测量都是远离物体所作出的 (至少大于几个波长 的距离)。所以, 我们应该区分两个范围不同的场: 第一个场从物体表面到几个纳米的距离叫做 近场; 第二个场是近场以外的区域叫做远场, 它从近场一直延伸到无穷远。 远场是常规探测仪 器如显微镜、望远镜以及其他仪器所能探测的光场。 关于近场, 早在一个世纪以前就知道其结 构并不简单。它包含两个分量: 一个分量能够传播, 另一个分量局限于表面且急剧衰减, 被称为 倏逝波 (evan e scen t w ave)。后一个分量是非均匀波, 其性质不仅与物体的表面、更与物体的材 料紧密相关。 它因物体的存在而存在, 不能在自由空间存在。312 关于近场探测原理把近场区域分成传播和非传播两个分量, 并不意味着物理上能够分离这两个分量。事实上 非传播分量是因传播分量的存在而存在, 反之亦然。 因为光子不能像电子那样被储存起来, 非传播分量的能量必然会从表面逃逸而导致传播场的存在。 因此, 如果我们微扰非辐射分量, 远场必定会受到影响。 非辐射场的一个典型数学形式可表述如下:U (x , y , z , t) = A (x , y , z ) 3 exp -j (k x 3 x + k y 3 y ) 3 exp (-a z ) 3 exp j (t) (2)其中 A 是场在点 (x y z ) 处的振幅, exp -j (k x 3 x + k y 3 y ) 是波在 (x y ) 平面中的传播项,exp (- a z ) 表示场沿 z 轴的衰减。 系数 a 依赖于材料的性质及具空间结构。 可以看出, 空间结构愈精细, 系数 a 就愈大, 局域于表面周围场分量就愈强。exp j (t) 表示场的时间相关性。在 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 37第 6 期祝生祥: 传统光学显微镜与近场光学显微镜物理上, 场以光频率振荡, 沿(x y ) 方向传播, 并在 z 方向衰减。因此, 光束不能传播出去, 只存在于物体的表面。近场探测意味着探测过程本身是一种干扰: 探测器不像通常那样放在远离物体的位置上, 必须将探测器放在距物体小于半波长的位置上。探测器应在场传播以前将它俘获。因此, 探测 器必须位于距离物体纳米的位置上, 它应该既能移动又不碰到样品。 目前常用压电马达驱动。 由于样品和探测器的距离极其小, 目前还没有一种成像系统可用于如此小的距离, 所以只能使 用点状探测器。 因为: (1) 它能局域地接受光, (2) 它能将光转换成电流, 或再发射到自由空间, 或通过一个合适的光导器件将信号传输到光电管或光电倍增管。 至今为止探测器还不可能是 一种光电转换器。 目前只能用被动的简易光收集器, 如锥形光纤的尖端。 最后, 因为局域探 测, 不能直接得到图像。为了产生一个图像结构, 探测器必须像扫描电镜那样, 沿着物体表面扫 描。313 光学隧道效应因为非辐射分量与倏逝波有相同的结构, 探测非辐射场的唯一办法是利用光学隧道效应。 我们来分析一下三个世纪以前牛顿做的棱镜全反射实验。尽管棱镜表面未镀反射膜, 光束以大于临界角入射时则会被棱镜的内表面全反射。 当他企图用第二块棱镜 (其斜面为弯月面)与第一块棱镜接触去“阻扰”(f ru st ra te) 全反射时, 发现两个棱镜间的透射面却大于它们的接 触区域。 这说明将一个光学元件引入到不可见的辐射区域中去干扰全反射是可能的。 这就是 光学扰动 (op t ica l f ru st ra ito n )。 现在, 利用棱镜表面边界条件的连续性, 我们能够解释光学扰 动。由于在棱镜的内部 (棱镜的下表面) 存在一个场, 在其外部 (棱镜的上表面) 必定亦存在一个 场。 这个场沿着表面传播且在垂直方向衰减为零。 如果一个适当的电解质材料浸没在倏逝场 中, 根据连续性条件的要求, 在界面处倏逝场将被转换成传播场。这就是光学或光子隧道效应, 它可用经典的麦克斯韦方程组解释, 不需用任何量子机制。314 具有超精细结构的物体附近微小区域中的倏逝场在近场显微镜中, 不能使用传统的光学元件, 所用的探针尖端必须极其小 ( 半径约为几个 纳米)。我们还必须考虑针尖端的衍射效应。描述衍射物体与倏逝场相互作用最简单的方法是假设针尖的行为像一个偶极子, 它是一个基本的散射源。 当偶极子位于非辐射场中时, 它被激 发, 从而产生一个同时包含传播和非传播分量的电磁场。只有传播分量能被远处的光电转换器所探测。W o lf 和N ie to 2V e sp e r in a s6 从理论上研究了这个过程, 得出如下定理: 入射到一个有 限物体的一束光必然被转换成传播场和倏逝场。 这里, 入射场既可以是传播场也可以倏逝场。一个有限物体( lim ited o b jec t) 是一种结构严重不连续的物体。用空间频率的术语说: 它包 含从零到无限所有的空间傅里叶频谱分量。 不透明屏幕中的一个小孔、一个小球、一个灰尘粒子等都是有限物体的例子。 一个扩展物体 (ex ten ded o b jec t) 可以认为由具有突变边缘的小有 限物体排列组成, 例如: 一片玻璃的粗糙表面。 所以对于扩展物体, 我们可以应用W o lf2N ie to 定理得出如下结论: 一束光入射到一个具有超精细结构 ( 精细尺度小于 /2) 的物体, 必定被转换成一个能够传播到探测器的传播波分量和一个局域于表面的倏逝波分量。 前一个与物体的低频分量相联系, 后一个与高频分量相联系。 近场显微学的基本原理都可由这条定理总结归纳如下: ( 1) 一个高频物体, 无论它被传播波还是被倏逝波照射, 都会产生倏逝波; (2) 产生的倏逝场不服从瑞利判据, 它在小于一个波长的距离范围内呈现强烈的局域振荡; (3) 根据互易性原理, 借助于小的有限物体, 可将倏逝场转 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 38光 学 仪 器第 22 卷换成新的倏逝场和传播场; (4) 新的传播场能被远处的探测器所探测。(5) 倏逝场传播场的转换是线性的: 被探测的场正比于倏逝场中确定点处的波因廷矢量。新的传播场如实地再现倏逝 场局域的剧烈振荡特性。(6) 为产生二维图像, 我们需用一个小的有限物体 (实际上是锥形光纤 的针尖) 在样品表面上方扫描。所以, 近场显微镜是一系列转换的结果: 由于物体本身的结构, 从入射光束到倏逝波的转换; 由纳米收集器使倏逝场到传播场的转换。4近场光学显微镜系统的典型结构典型的扫描近扬光学显微镜由探针、信号传输和信号接收、信号反馈、扫描控制以及信号处理成像等单元组成。其中反馈、扫描、控制及信号处理系统与原子力显微镜(A FM ) 相似。不 同之处在于, SN OM 探测的是光场, 使用光纤探测和传输信号, 用光电倍增管接受反放大信 号。图 1 所示 SN OM 系统的总体结构: 光学探针 A 、样品台B、探针扫描控制 C ( 包括 T 2S 间 距控制)、光输入系统D 和信号采集处理系统 E 五大部分:图 1SN OM 系统总体结构方框图在 SN OM 中的一个关键技术是光纤探针的制作, 另一个就是针尖样品 (T ip 2Sam p le) 间距控制 (T 2S 间距)。T 2S 间距控制主要有三种方法: (1) 等高模式, 如图 2 (a) , 针尖在一个固定 水平高度上扫描, 光信号强度的起伏反映表面形貌的起伏, 因此这种模式适用于表面比较平整的样品。 (2) 等光强模式, 如图 2 (b ) , 采用 STM中的反馈系统, 针尖按照设定的光强值随表面光强的变化起伏而上下起伏, 反馈信号反映了表面光强的变化。 由于在近场范围内, 光强与距离变化的关系并不简单, 因此反馈信号的起伏并不严格地反映表面的形貌。(3) 剪切力模式, 如 图 2 (c) , 由于针尖与样品之间存在一些长程力 (如粘滞力等) , 并存在一个共振频率 f , 当探针 在按等光强模式扫描的同时, 沿水平方向以某种频率作微小振荡, 针尖在这一方向上的振动将 受到阻碍而且很容易被观测到。 这样针尖就可以按照固定的 T 2S 间距上下起伏。正是 T 2S 间距控制方法不同, 使得 SN OM 在发展过程中曾经出现过很多配置方式, 命名 各不相同。主要有两类: 一类是孔径型扫描近场光学显微镜 (A p e r tu re2SN OM ) , 它采用亚波长 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 39第 6 期祝生祥: 传统光学显微镜与近场光学显微镜图 2 间距控制的三种方法( 模式)的小孔 (或者针尖) 作为微光源或者微探测器, 而且激发光与被探测的信号光是平行的; 另一类 是光子扫描隧道显微镜 (P STM 2P ho to n Scan n in g T u n n e lin g M ic ro scop y ) , 激发光斜射入样 品, 通过全反射在样品表面形成倏逝场, 置于倏逝场的光探针实际是一个散射中心, 它将非辐 射场通过转换成传输波而被探测。从物体近场光信号探测这一意义上讲, 这两类在本质上一样 的。 由于 SN OM 中的光学探针有的作为光源, 有的作为微探测器, 这就决定了有不同的配置方式。 主要有以下几种:SN OM( 1) 照射模式, 如图 3 (a ) 一般用介电镀膜探针作为微小光源, 适用于透明样品, 特别是生物荧光样品的探测。(2) 接受模式, 如图 3 (b ) , 这种模式与上一种在结构上是对称的, 探针作为微接受器, 一般 采用光纤微探针。(3) 反射模式, 如图 3 (c) , 镀膜光纤探针既是光源, 又是接受器, 适用于不透明的样品。( 4) 光子隧道模式, 如图 3 (d ) , 入射光在样品内表面形成全反射, 而在样品表面近场形成 一个消逝场, 光纤探针 (一般不镀膜) 可以将消逝场转化为传播场。图 3 SN OM 的 4 种配置在以上 4 种配置方式中, 探针是必不可少的。而且, 它的质量决定了 SN OM 系统图像的分辨力和信噪比, 因此光纤探针的制作是 SN OM 中的关键技术。 一般讲, 用于 SN OM中的探针要求小而“亮”。 探针尖端孔径越小, SN OM的分辨力就越高; 但另外一方面, 信号光又必须足够强, 才能有足够的信噪比。 人们曾经研制过许多不同种类的光学探针。目前, 在我国较有影响的国外产品有: 美国 T h e rm o M ic ro scop e s, In c. 公司的 SN OM , 德国OM ICRON V ak u um p h y sik Gm bH 公司的 Tw in 2SN OM等。国内已有清华大学、北京大学、大连理工大学以及上海光学仪器研究所等多家研究小组在开发或研制扫描近场光学显微镜,研制光纤探针的小组则更多。5关于光纤探针在扫描近场光学显微镜中, 目前国际上最为常用的是锥形光纤微探针。这种探针具有制作 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 40光 学 仪 器第 22 卷方便的特点。一个光纤探针的结构主要有 3 个部分。光导部分 (光导区)、连接部分 (微米区) 和光针部分 (纳米区) , 如图 4 所示。 目前, 纳米区常见的几何形状有抛物面型、半球型和截锥型, 这些形状上的差异和制作工艺有关。不同形状的光纤探针, 其模式耦合系数、传输常数、反向耦 合系数等各不相同。由于连接部分已小于波导截止尺度, 在锥面上将会产生大的能量损耗。为 减少这种损耗, 可在针尖外围镀一层金属铝。图 4 光纤探针结构图光探针通常由光纤通过熔拉、H F 酸腐蚀或二者结合的方法制备7 。 光纤探针特别脆, 为 防止针尖碰断, 实验中不能作贴近样品表面扫描。 通常利用剪切力原理控制针尖与样品的距离8, 从而也就限制了横向分辨力的进一步提高。其次, 由于光纤探针的圆锥角较小, 大部分信号被镀有金属的光纤壁吸收, 只有很小一部分信号通过针尖转输至探测器, 信号电平仅约左右9 。故光纤探针的转输效率很低。另外, 在探针的制备过程中, 光纤探针的锥度与孔50nW径的分散性很大。 给获得信息或图像的一致性或重复性带来较大的困难。我们在直锥型光纤探针基础之上, 用激光器加热探针的微米区, 使探针呈弯曲状。 将适当 腐蚀的直锥型光纤探针清洗后, 固定在自制的带有小孔的夹具上, 通过激光束加热, 探针被打 弯, 弯曲部位控制在探针的微米区。 将弯曲的探针放入 20% H F 溶液中, 控制腐蚀时间制成悬 臂式探针样品。它具有 SFM /SN OM 组合探针具有某些显著的优点。通过扫描电子显微镜成 像, 得到了悬臂式光纤探针的全貌图。如图 5 和图 6 (两根针不同)。测量出图 5 所示样品尖端 直径约110m , 锥度约为 10, 弯曲角度 90 100。针尖长度随着使用条件可适当调整。利用 自制的夹具将光纤探针安装在D ig ita l In st rum en t 公司 N ano Scop e III a 型上测试, 收到了比 较理想的结果。图 5 弯曲型探针的成像光学显微镜图图 6 弯曲型探针的扫描电镜图 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 41第 6 期祝生祥: 传统光学显微镜与近场光学显微镜6结束语在传统光学显微镜中, 利用材料的折射率和透镜的曲率将被观察物体放大以获得其细节信息。 信息传递本质上是非对称的: 信息只从物体到达探测器。 近场光学显微镜利用纳米量级的光探针在物体表面附近扫描获取近场信息。在近场区域,收集探测是完全不同的概念。首先, 针尖不能将样品成像, 它只收集特定位置的近场光强。其 次, 近场中的重要特征是非辐射分量。 非辐射分量不能传播, 它们通过光学隧道效应被转换成 辐射力量。所以, 探测是对被探测场的微扰。换句话说, 远场探测并不改变入射场, 近场探测则 破坏了被分析的场。 由此我们得出结论: 近场图像是样品与针尖信息的混合物。 或者说, 针尖 成像样品, 样品成像针尖。 如果针尖大于被分析物体的细微结构, 所得到的像则更多地与针尖的线型特征有关, 而不是与样品的拓扑结构相关。 我们在分析近场图像时须慎重。参考文献7G B inn ing, H Ro h re r. Scann ing T un