（光学专业论文）近场光学不同成像方式的数值模拟.pdf

大连理 ：大学硕十学位论文 摘要 近场光学成像理论建立至今，已经有多种形式的近场光学显微镜陆续问世，其中扫 描近场光学显微镜和光子扫描隧道显微镜有了较为快速的发展。扫描近场光学显微镜是 8 0 年代发展起来的具有亚波长量级的扫描探针型显微镜，有反射式、透射式多种类型： 光子扫描隧道显微镜是随后发展起来的另一种类型，是通过光纤探针探测样品表面的隐 失场，来获得携带样品表面形貌和光学性质的信息。他们都能对纳米尺度的样品成像， 且具有光学无损探测的特点，可观察活性样品，应用广泛。本文在其成像原理的基础上， 采用时域有限差分法对这两种成像系统进行数值模拟分析及讨论其各自的成像特点。 为了研究在这两种成像模型中，应用不同类型探针作用时的成像特点，本文在课题 组以前研究的基础上，应用色散介质d r u d e 计算模型，用三维时域有限差分法模拟了等 高扫描模式下，探测多种聚氯乙稀球形样品的电场强度分布：首先，在无探针的情况下， 数值模拟得到样品表面的隐失场信息，及其近场图像；然后，分别加入介质探针( 无镀 膜光纤探针) 和镀金属膜孔径探针对球形样品进行等高探测，由于此过程涉及在近场成 像过程中不同种类探针和样品散射场，以及系统中样品之间的相互作用影响，使得成像 过程非常复杂。 虽然在系统无探针的情况下，能够数值模拟得到较为清晰的样品近场成像，但是这 个过程只涉及到入射场和样品、样品和样品之间的相互作用，而在实际操作中，都需要 应用探针来收集样品的近场信息，所以在数值模拟过程中设置探针是很有必要的，并且 探针类型的不同也是影响成像的关键因素。结果可以显示：介质探针对介质样品的探测 成像有较为严重的相互干涉影响。镀金属膜孔径光纤探针在近场探测中对分辨率和灵敏 度的提高有着重要的作用。本文得出了一些有意义的结果，对近场成像系统模型的改进 和实验的设置有一定的指导意义。 关键词：近场光学；扫描近场光学显微镜；光子扫描隧道显微镜；时域有限差分法 近场光学不同成像方式的数值模拟 t h es i m u l a t i o no fd i f f e r e n tk i n d si m a g i n gi nt h en e a r f i e l do p t i c s a b s t r a c t t h ec o n c e p to fn e a r - f i e l dm i c r o s c o p yw a sp r o p o s e di n1 9 2 8b yeh s y n g e a n dh a s g r e a t l yd e v e l o p e d m a n yk i n d so fn e a r - f i e l dm i c r o s c o p e sh a v eb e e ni n v e n t e d 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 ( s n o m ) a n dp 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 eo s a m ) h a v eb e c o m ei n c r e a s i n 舀yp o p u l a ra sat o o lt os t u d yt h el o c a lo p t i c a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l d c l o s et ot h es u r f a c eo fd e v i c e sf r o mi n t e g r a t e do p t i c s p h o t o n i c s t h e yh a v eb e e n d e m o n s t r a t e dt ob r e a kt h ed i f f r a c t i o nl i m i to fr e s o l u t i o na n dc o l l e c tt h eo p t i c a lr e s p o n s eo ft h e s a m p l ep o i n tb yp o i n t b e c a u s et h e yh a v ea no p t i c a lf i b e ra st h ep r o b ei no r d e rt od e t e c tt h e s u r f a c ee v a n e s c e n tw a v ea n dt r a n s f o r mi tt op r o p a g a t i n gw a v e ，b u th a v et h ed i f f e r e n ti n c i d e n t w a v e s ot h ed i f f e r e n ti m a g i n gs y s t e m s t h e yb o t hc a nd e t e c tt h es a m p l ew i t h o u td a m a g i n gi t , s t u d yl i v eb i o l o g i c a ls p e c t r u m ，a n dh a v ef o u n dw i d es p r e a da p p l i c a t i o n t h ed i r e c tn u m e r i c a l i n t e g r a t i o n o ff u l lv e d o rm a x w e l l e q u a t i o n s i nt h r e ed i m e n s i o n sf i n i t e d i f f e r e n c e t i m e - d o m a i n 四奶d ) m e t h o dw a ss u g g e s t e d 笛an u m e r i c a ls o l u t i o no fe l c c t r o d y n a m i c p r o b l e m s t h i st h e s i si sb a s e du p o nt h er a t i o n a l eo f n e a r - f i e l dm i c r o s c o p y , a p p l y i n gt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no f t h ef d t dm e t h o do nt h et w ok i n d so fi m a g i n g s y s t e m s a n dd i s c u s s i n gt h e j r c h a r a c t e r i s t i c s f i r s t l y ，i nt h es i t u a t i o nw i t hn ot i pi nt h es y s t e m ，t h ed e a ri m a 学路c a nb e s h o w ne a s i l y ，a n dt h e r ea r et h es a m p l e s i n t e r f e r e n c e so n l y t h e ng e t t i n gt h ed i f f e r e n tk i n d s o ft i p si nt h es y s t e m s ，t h ei m a g i n gb e c o m ec o m p l e x ，a n dh a r dt oe x p l a i n f u r t h e r m o r e ，t h e i n n u e n c c so ft h ei m a g i n gi nb o t hs y s t e m sa l ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d t h e s er e s u l t sw e g o ta r ev a l u a b l ef o rt h es e l e c t i o no ft h ei m a g i n gs y s t e mo ft h em i c r o s c o p e 。 k e yw o r d s ：n e a r - f i d do p t i c s ；s n o m ；p s t m ；f d t d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 ，1 d 一，t 一 作者签名：拯! 毯e t 期：幽垂! 旦y 日 大连理 ：大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名；箍里窳 导师签名 题! 型 丛卫年五月坦曰 大连理工大学硕士学位论文 引言 光学显微镜自1 6 世纪末被z j a n s e n 首先发明至今，经历了漫长的发展时期。1 9 世 纪，人们主要以可见光( 4 0 0 n m - 7 6 0 n m ) 为光源，利用透镜成像原理进行显微成像。然而， 1 8 7 3 年德国人e j l b b c 指出由于受光瞳远场衍射效应的影响，光学成像系统存在“空间 分辨率极限”的问题，并且1 8 8 1 年英国人l r a l e i g h 将光学系统分辨率r 表示为瑞利 判据嘲，指出传统光学显微镜的空间分辨不能超过光波波长的一半( 能得到最好的系统 分辨率为2 0 0 n m 左右) ，所以传统光学显微镜已经没有数量级的进步，满足不了进一步 成像的要求。 科技的发展需要更高分辨率的显微技术。1 9 2 8 年，英国人e h s y n g e 0 1 提出：利用 小于波长的光学孔径作为光源，并在距离样品也小于光波长的位置进行扫描成像，这种 方法可以突破传统成像的衍射极限。1 9 5 6 年o k e e f e 和b a e z 跚分别提出了扫描近场显微 镜的概念。1 9 8 1 年瑞士苏黎世i b m 研究中心的g b i n n i n g 和h r o t h e r 成功的制造了世 界上第一台扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n c h n gm i c r o s c o p y ，s t m ) ，极大地提高了 观测的灵敏度，其横向分辨率达到0 o l n m ，纵向分辨率达到0 0 0 1n m ，进而推动了近 场光学显微镜的诞生和发展嘲。1 9 8 4 年此中心的d w p o h l ”1 和美国康奈尔( c o m c l l ) 大 学的e b e t z i g 和a l e w i s “埘等人分别独立利用微孔径作为探针制成了第一台扫描近场光 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 ) ，真正揭开了近场光学研究的 新篇章。 1 9 8 9 年，r cr e d d i c k 叫等人研制成功了光子扫描隧道显微镜( 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 , p s 咖，它是另一种突破成像分辨率衍射极限的近场光学显微 镜。1 9 9 1 年，美国康奈尔大学的e b c t z i g 等人抛1 利用单模光纤制成了一种新的探针， 探针镀越膜，端口开5 0 r i m 的小孔。并且，美国的弗雷尔( f e t c h ) 等人利用光纤尖作为 扫描隧道显微镜的探针，成功地研制成世界上第一台光子扫描隧道显微镜( p s l m ) 1 1 1 ， 并获得专利。 同年大连理工大学物理与光电工程学院的吴世法教授和中科院北京电镜室姚骏恩 教授一起指导一个p s t m 研究小组，获得了空间分辨率优于l o o n m 的全息光栅图像，在国 内首次利用p s t m 的近场光学成像技术突破传统光学显微镜衍射极限“。1 9 9 3 年6 月进 一步提高了p s t m 的性能，成功的研制了我国第一台p s t m ，实现了横向分辨率优于l o n m ， 纵向分辨率优于l n m “”。 在近场光学数值模拟计算中应用的是时域有限差分( 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 ， f d l i ) ) 方法，该计算方法是k s y e c 于1 9 6 6 年“”首次提出的一种时域电磁场数值计算 近场光学不同成像方式的数值模拟 方法，以y e e 氏网格为空间电磁场离散单元将麦克斯韦旋度方程转化为差分方程，在时 间轴上逐步推进地求解“”，直到1 9 8 1 年m u r 边界条件的提出逐渐发展进入了成熟和 广泛应用阶段。1 9 9 5 年c h r i s t e n s c n 咖1 首次将f d t d 方法引入近场光学，计算了二维光纤 探针的近场分布。2 0 0 0 年周庆。”和2 0 0 1 年刘秀梅嘲、刘凯1 等采用三维f d t d 方法计 算光纤探针的光强分布。 本课题组自1 9 9 0 年开始进行p s t m 成像机制理论和实验的深入研究，2 0 0 2 年，在前 面工作的基础上提出了等效入射波法嘲3 ，进行数值模拟p s t m 成像的研究一1 ，到目前 为止已经发表相关论文1 0 余篇。由于国内外已经具有各种类型的s n o m 商业仪器，而 p s t m 也正朝着商业化发展，并且此前暂无有关p s l m 和s n o m 两种类型近场光学显微镜 成像特点的总结，所以本文的工作是在课题组前人工作的基础上应用f d t d 方法，数值 模拟s n o m v 和p s t m 的近场成像，并简要分析各自的成像特点。 全文结构安排如下：第一章介绍近场光学原理，然后具体介绍了s n o m 和p s t m 的 成像系统和各自的成像原理，以及一些常用数值模拟方法的简要原理；第二章介绍了 f d t d 的原理和在近场光学成像系统中的应用；第三章着重介绍本人发表的论文内容， 应用f d t d 方法来数值模拟s n o m 和p s t m 在无探针情况下的成像。第四章阐述在这两种 近场显微系统中，分别带介质探针和镀金属膜孔径探针的情况下，对聚氯乙稀小球成像 情况和成像特点的研究，以及现阶段存在的问题。 大连理 ：大学硕士学位论文 1近场光学理论与近场光学显微镜 1 1 近场光学理论 传统光学显微镜以透镜为成像的核心元件，在其发明的几个世纪中得到了广泛的应 用，然而由于其工作距离总是大于探测光波波长( 即工作在远场区域) ，基于几何光学 的成像原理，并且分辨率受衍射极限的限制，探测量级并没有进一步的提高。随着时代 的进步科技的发展，人们迫切需要了解纳米量级世界，所以另一种光学显微镜近场 光学显微镜应运而生，其成像原理基于电磁场理论，并且能够突破传统的光学衍射极限， 使探测达到纳米尺度。 1 1 1 近场光学 【舯 1 9 2 8 年，e h s y n g e 在p h i l m a g 杂志上提出：利用小于波长的光学孔径作为 光源，并在探测距离也小于光波长的条件下( 距离约有1 0 r i m ) ，通过扫描样品光点强度， 来实现超衍射极限分辨。虽然这种方法在当时并没有引起人们的关注，不过这个设想成 为近场光学显微镜发展的基石。在1 9 7 2 年，e a a s h 和g n i c h o l s 采用3 c m 微波利用近场成 像原理在实验中实现了超衍射分辨嘲：用直径为1 5 姗的小孔扫描光栅样品，成像分辨 率达 6 0 。但在光学波段，由于技术的限制，这种新思想直到1 9 8 1 年s t m 的发明才得 以实现。 ， 近场光学成像不同于经典光学，它所涉及的是一个波长范围内的光学理论和现象。 在近场区域能够探测样品的细微结构的原因在于：所谓的“近场”区域内包含两种成分， ( 1 ) 辐射场；是可向外传输的场成分；( 2 ) 非辐射场：是被限制在样品表面并且在远 处迅速衰减的场成分，它作为近场成像中的关键成分，是由样品的存在而产生的一种不 均匀的场，其性质与样品的性质和结构密切相关，又称为“隐失场( c v a u e s c e n tw a v e ) ”。 并且由于它携带样品亚波长结构的信息，强度随离样品距离的增大而迅速衰减，衰减的 速度与空间频率成正比，所以结构越是精细，场就越强烈的被束缚在样品表面。由于近 场波体现了光在传播时遇到空间光学性质不连续情况下的瞬态变化，所以可以通过探测 样品的隐失场来探测样品的亚波长结构和光学信息。这样多种近场光学显微镜基于此原 理陆续的被发明出来，突破瑞利衍射极限不再是梦想。 1 1 2 近场光学扫描成像技术 根据瑞利判据光学成像系统的分辨率： r o 6 1 必，。， 其中九为光波波长，n a ， = n s i n0 为光学成像系统的数值孔径。在传统光学系统中，提高分辨率的方法( 1 ) 使 近场光学不同成像方式的数值模拟 用更短的波长；( 2 ) 制造更大数值孔径( n a ) 的光学系统。前者在可见光范围内没有多 少改善的余地，后者也受到许多技术上的制约，最好的油浸式显微镜的n a 也不过1 5 左右，只能得到2 0 0 r i m 左右的分辨率。 近场光学扫描成像技术是8 0 年代后蓬勃发展起来的现代光学成像技术，结合探针扫 描、弱信号探测等相关技术，基于对近场隐失波的探测，可以极大地提高系统的横向分 辨能力。由于光子具有一些特殊的性质，如无静止质量、电中性、容易改变偏振特性、 与电子相比波长较长、可在空气及许多介电材料中传播等，因此近场光学显微镜在纳米 尺度的光学观察上起到其他扫描探针显微镜，如扫描隧道显微镜( s t m ) 、原子力显微 镜( a r m ) 所不能替代的作用。 如图1 1 所示的近场光学探测原理：将一个亚波长尺寸的光源( 如一个纳米小孔) 。 放置在样品的近场区域( 距离远小于波长) ，样品被照明的区域仅由光源或小孔的尺寸 决定而与光源波长无关，这样探测光强信号就可以得到样品的光学图像。由于所成图像 的分辨率仅由孔径的大小所决定，这样就能够突破传统光学显微镜的衍射限制。 图1 1 近场光学探测原理 f i g 1 1 t h ep r i n c i p l eo ft h en e a r - f i e l do p t i c s 1 2 近场光学显微镜 国际上现已有多种类型的近场光学显微镜出现，与传统光学显微镜不同，他们是通 过逐点扫描并收集样品的光学信息进而成像的，且空间分辨均可超越光学衍射极限。一 般近场光学成像系统的基本结构分为：小孔径扫描近场光学显微镜( a - s n o m ) 、无孔 径尖散射扫描近场光学显微镜( s s n o m ) 和p s 咖三种基本类型，根据光与样品的关系又 可分为透射型和反射型( r ) 两类，其中p s l m 只有透射型。 4 - - 大连理工大学硕士学位论文 近场光学显微镜中的探针、被探测样品以及探针一样品之间的距离的尺寸均是在介 观尺度( 1 0 1 0 0 n m ) 的范围。各类型的探测尖、样品、光束取向如图i 2 所示，图中 虚线表示样品表面的隐失场。 图1 2 近场光学显微成象分类 f i g 1 2 t h ed i f f e r e n tt y p e so f t h e 硪l do p d c a lm i c r o s c o p y 由于近场成像系统发展的种类繁多，适用环境和范围也各有区别，经过科学工作者 不懈的研究和分析，可以把近场光学成象系统的检测样品参数、适用范围及其已达到的 乜町 空间分辨率大体总结如表1 1 。 表1 1 各种成像系统性能一览表 t a b 1 1s e v e r a li m a g i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e s 成像系统检测参量适用范围 已达到空间分辨率( n i ) s - s n o m ( t )? f ( 相位差)透射( 相位差) 样品 1 以 s - s n o m ( r )? r ( 反射率差) 、? z ( 形貌) 反射样品 2 0 - 4 0 a - s n o m ( t )? t ( 透射率差) 、? z ( 形貌) 透射样品 5 0 1 0 0 a - s n o m ( r )? r ( 反射率差) 、? z ( 形貌) 反射样品 8 0 1 5 0 s 研讧s n o m ? “介电常数差) ，? z ( 形貌) 导电反射样品 1 - 3 p s n 讧 ? n ( 折射率差) 、? z ( 形貌) 透射样品 3 5 1 2 1 扭描近场光学显徽镜( s n o m ) ( 1 ) s n o m 成像 自1 9 8 2 年初，扫描隧道显微镜( s t m ) 被发明后，近场光学显微技术研究有了快速的 近场光学不同成像方式的数值模拟 进展。s n o m 是于1 9 8 4 年分别由d w p h o l 和a l e w i s 嗍在扫描探针显微镜( s p m ) 的基础上 独立研制成功的一种具有亚波长分辨率的近场光学显微镜，目前所报道的空间分辨率已 经达到x 4 0 。其用于在低于衍射极限的分辨率下获取局域光学信息和光电子性质。由 于光子具有的特殊性质，使得s n o m 成为扫描探针显微镜( s p m ) 家族中的热点，其技 术发展很快，应用也非常广泛。 ( 2 ) s n o m 成像系统 s n o m 系统和其他的扫描探针显微镜( s p m ) 结构类似，包括以下几个部分： 探针，充当亚波长光源或接收器； 扫描系统，可以使探针和样品之间进行纳米精度的扫描； 反馈系统，可以使探针与样品间距保持恒定并始终在近场范围之内； p c 控制系统，可以同步的读取数据和进行扫描； 光源和探测器，可以根据应用需要来选择。 使用一个孔阑限制的光纤探针去探测样品附近的辐射场，辐射场的强度是样品表面 光学性质的量度。分辨率由光探针口径和探针与样品之间的间隙大小决定，而与光源的 波长无关。将光探针以等高度模式在样品表面扫描，可以得到样品的光学显微图像；如 果用电子反馈线路调节探针的高度来保持光强盼恒定，则得到样品表面的形貌。由于 s n o m 的分辨率不依赖于光的波长，可以利用可见光或是红外光，这就使其成为真正 意义上的光学显微镜，具有其他技术无可比拟的优势。 ( 3 ) s n o m 多种成像模式 f 鲥 透射式近场光学成像系统，指探测器和照明光源分别在样品表面的两侧。按光学 探针的功能又可分为两种形式：照明模式：是系统中探针作为光源深入近场区域照明 样品，而在样品的另一侧利用透镜在远场收集经样品调制后的透射光信号，是现在发展 最为成熟的一类；收集模式：激光束进行远场照明，探针作为收集近场光信息的针孔， 收集经过样品后的透射光。为了保证光信号的强度，探针的孔径一般要求大于2 0 r i m ， 因此这些系统的分辨率约为2 0 n m 一5 0 r i m 。要求样品为极薄的透明或半透明切片，如生 物切片或半导体薄膜等。 s 1 1 外反射式近场光学成像系统，指探测器和照明光源在样品表面的同侧。该系统中 探针深入近场照明成像样品，并在同侧附近用会聚透镜来收集样品的反射光。并且发展 了另一种新型结构，将一种无孔探针置于样品的近场区域内，探测器探钡0 经过样品调制 大连理工大学硕士学位论文 的探针散射光，由于采用无孔探针，系统分辨率有了较大的提高。外反射式近场光学显 微镜主要用于微电子和磁光等不透明材料的成像检测和有关光谱的研究中。 f 删 全内反射式近场光学成像系统，是一种特殊形式的透射模式，此系统中应用的光 纤探针同时也是散射体，放置于由全内反射形成的经样品调制的隐失场内收集近场信 号，此种显微镜又被称为p s t m 。该系统中要求样品的尺寸小于波长，且样品的折射率 变化不大，否则将产生膺像。类似于p s t m 模式，还可以用其他探针如原子力悬臂探针 作为隐失场中的散射体；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 膜衬底的样品上产生，并由探测尖散射。 图1 3s n o m 不同1 = 作模式示意图 f i g 1 3s c h e m eo fs n o mi nm a n yd i f f e r e n tw a y so fo p e r a t i o n 1 2 2 光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 是当今超衍射分辨成像技术中强有力的仪器。1 9 8 9 1 9 9 0 年期间，雷迪克( r e d d i c k ) 、康里乔恩( c o n r i j o i l l 1 、福纳尔( d ef o m e l ) 嘲、维古库 克斯( v i g o u r c u x ) 汹和帕格尼亚口a g l l i a ) 脚3 等先后报道了p s i m 实验研究结果。1 9 9 1 年5 月 2 8 日美国专利局公布了弗雷尔( f e n e 1 1 ) ，沃卖克( w 删a c l 【) 等人发明的第一台光子扫描 隧道显微镜专利。本课题组从1 9 9 0 年开始进行p s t m 的相关研究，次年成功的获得了全 息光栅的扫描图像，其分辨率达到了1 0 0 r i m ，1 9 9 3 年6 月成功研制了我国第一台p s t m 系 统，其横向空间分辨率高于1 0 n m 。 近场光学不同成像方式的数值模拟 ( 1 ) p s t m 成像原理 在p s t m 中，采用平行光束由光密介质以入射角大于临界角射向光疏介质时，在光 疏介质中的透明样品上表面产生隐失波，其电场或磁场垂直于样品表面，且场强与离样 品表面的距离( d ) 有近似指数衰减关系，因此它不能远场传输。在近场成像系统中，由于 光纤尖的端头容易做到纳米尺度，因此可让光纤尖端浸入隐失场，且隐失场与光纤尖端 的相互作用可近似地视为全内反射过程的逆过程( 称隐失场受抑过程) ，从而使光纤尖端 面的隐失波被转换为可传输波，并由光纤尖光导传至光纤尖另一端，而光电探测器记录 的这信号就是隐失场信息。1 9 5 1 年，d b o h m 最早将隐失场受抑现象称为“光子隧道”。 这种光子隧道信号则携带有样品的折射率、形貌、入射角、尖至样品间距等信息。p s t m 的物理机制即是建立在光子隧道机理基础之上e 3 乳3 9 j 。 p s t m 的横向分辨率取决于光纤探针的通光孔径，可达到纳米量级。用p s t m 不但 可以检测到样品表面形貌，还可以检测样品的微观光学特性。 ( 2 ) p s t m 成像系统 p s t m 的结构主要有：探针、信号采集及处理、探针样品间距的反馈控制、三维扫 描系统和图像处理组成，辅助部件还包括仪器的隔离防震等。 光纤探针尖采集的光信号由光电探测器转换为电信号，输入控制系统并将这一信号 与预先设定的参考电信号进行比较，所得的差值信号由反馈电路输出给z 向驱动器，从 而调节探针光纤尖在z 方向进行移动，以使探针尖能进入近场区域。当光纤尖的端头进 入样品表面的隐失场区域时，隐失场局域将受到抑制，光纤尖端头界面处将会有隐失波 能耦合进入光纤尖，传输到光纤的另一端的光电探测器，将光信号转换为电信号而送入 后继电路。光纤尖固定在压电陶瓷管上，由x 、y 、：三维驱动器电路驱动压电陶瓷管 工作，从而使光纤完成三维扫描。整个系统由微机来进行控制，完成进针、扫描、图像 数据的采集、图像的存储、图像处理和显示等工作，见图1 4 。 一8 一 大连理：i ：大学硕士学位论文 图1 4p s 的工作原理图 f i g 1 4t h ep r i n c i p l eo f p s t m 探针是影响成像质量的关键部件，一般采用介电材料，可以用拉细的锥形光纤、四 方玻璃尖端、石英晶体等制成，尖端尺度在1 1 0 0 纳米之间。达到商分辨率和高信噪比 的要求，但这两者往往不能兼顾，所以只能根据不同的要求设计不同的光纤探针。常见 的有孔径探针、无孔径探针和混合光学探针等。目前国际上最常用的是锥形光纤探针。 探针存在的缺点：光纤抗热性能差，不能传输高功率激光，因而限制了信噪比的提高： 光纤脆性大，极易因与样品碰撞而损坏。为了改进近场光学显微镜的性能，必须兼用 其他形式的探针。 若在光纤探针尖对样品作近场扫描的同时，令光子隧道信息作等强度反馈控制，或 作尖的等高度控制，或作尖与样品等间距反馈控制，就可分别获得等信号强度、等探测 尖高度和等探测尖与样品间距3 种模式的p s t m 图象。 1 2 3 其他类型近场光学显微镜 ( i ) 原子力显微镜( a 曰哪 a f m 嗍是通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间作 用来研究物质的表面结构的。此种具有原子级分辨能力的仪器弥补了十几年前发展起来 的s 1 阿订只能研究导体和半导体的不足，它还可以用于非导体材料表面的结构研究，因 而在表面科学、材料科学和生命科学等领域的研究中有其特殊的重要意义。 其原理建立在探针尖端头的原子与样品表面原子在足够接近对存在相互作用力的 基础之上。探铡尖被装在一个微小的弹力臂的端头上，尖与样品间原子力可表示为 ，一。+ ，w ，其中f w 为范德瓦耳斯力，f r 为静电相互排斥力。当前发展最成熟的a f m 是由光杠杆来监控尖一样品的间距，见图1 5 。 近场光学不同成像方式的数值模拟 蠢漾i 、! 图1 5 光杠杆监控的a d i 原理图 f i g 1 5 t h ep r i n c i p l eo f a f mw i t ht h em o n i t o ro f o p t i c a ll e v e r ( 2 ) 新一代a f p s t m 组合光学显微镜 由p s t m 成像原理可知，光子隧道信息是照明光束入射角的函数，样品表面不平的 倾角相当于光束入射角变化，所以最好用于已知表面平整的样品，否则将引入假象，而 且样品形貌信息与光学信息( 折射率与透过率) 混在一起难于分析，这样给图像解释带 来很大困难。 光电信增管 0 方位l 方位 图1 6a f p s l m 原理框图 f i g 1 6t h ep r i n c i p l eo fa f p s t m 大连理工大学硕士学位论文 原子力，光子扫描隧道显微镜( a f p s t m ) 系统是本课题组自行研制的一套新型近 场光学显微镜系统，该系统是在原子力显微镜( a f m ) 的基础之上研制而成，图1 6 为 其扫描头部分的原理图。贩a f m 的氮化硅针尖与硅质的弹力臂由一根弯曲光纤探针取 代，光纤探针的外形设计由系统的结构与功能决定，采用敲击样品表面的模式来扫描成 像，同时采用光杠杆做距离监控，要求光纤探针背面提供一个反射面。 1 2 4 近场光学显微镜的应用 近场光学显微镜是将s p m 技术移植到光学领域，从上世纪8 0 年代初期的构想、9 0 年代各种近场光学仪器的初步研发，发展到现在基本成熟应用阶段，近场光学显微镜已 经成功地获得超高分辨率，且也有很高的扫描成像稳定性，无孔探针技术的发展使近场 光学显微镜的横向分辨率得到了进一步的提高，达到了几个纳米。其最大优点在于，能 非接触直接观察亚波长物体的光学图像，获得物体的光学衬度信息。目前，已经应用到 了纳米尺度光学成像、微加工，超高密度光存储，量子器件，纳米局域发光与光谱，材 料科学及生命科学等一系列研究领域。随着技术的发展、制造成本的降低，它将得到更 广泛地应用。 ( 1 ) 近场光学存储技术 光存储具有高密度，高速度，高集成度等优点，因此成为实现大容量和高速度同时 兼得的有效途径。由于光学瑞利极限和数值孔径的限制，传统光存储密度是有限的，即 使采用较短的激光波长对存储密度提高也作用不大。随着计算机技术发展的要求，更需 要一种能大幅度提高光存储密度的方法，近场光学的发展正好迎合了这个需要。 近场光存储中，用到的存储材料一般为光刻、相变材料和光致交色薄膜等凡种。其 中光致变色材料具有高分辨率、高灵敏度、可多层记录等性质，所以它具有很大的研究 和发展潜力。当一特定频率的入射光照射处于基态的光致变色薄膜材料上时，该材料将 吸收光子变为激发态；若以另一频率的光去照射它时，它又变回到基态。由于近场光存 储中探针处于样品表面近场区域内，且探针的孔径很小，它投射到样品表面的光斑很小， 可以达到几个分子甚至比一个分子还小，只有处在光斑中的分子发生光色反应，这就实 现了利用分子双稳态来存储信息的目的。理论分析表明近场存储密度可达6 4 t b i n 。对 于光致变色材料存储信息的读取，可采用荧光探测法，利用这种方法可得到具有高信噪 比和高密度的近场光致变色存储。 近场光学不同成像方式的数值模拟 ( 2 ) 近场光学的光谱性应用 近场光学显微技术发展较为成熟后，科学家就可以利用这种有力的工具来研究更为 基本的物理过程。局域光谱在揭示物体的纳米尺度结构和物性方面发挥着其它微区光谱 技术所不可能达到的深度。近场光学技术不仅能提供超高光学分辨本领，同时也是一种 能提供纳米尺度光谱的有效方法。 纳米级的探针与样品发生相互作用，散射样品的局域近场光谱，通过探测该局域光 谱，可以获得成像样品的光谱结构信息。运用s n o m a f m 联合探针扫描技术去研究 g a a s g a a l a s 量子阱的激发谱，可以观测到远场方式所得不到的尖锐发射线条，其分 辨率可达5 0 r i m 。 近场光学显微镜还可以通过探测物体发射的拉曼光谱达到对物体亚微米级的测量 和检测。利用低温技术，近场光谱仪可以探测并且区分尺度为几十纳米的量子线的光发 射，以及单个或多量子阱的发射谱。近场光学显微镜与近场光谱相结合可以在研究量子 点、纳米晶体、表面缺陷与位错、量子球与多孔硅方面发挥其独特的作用。 ( 3 ) 近场光学显微镜在生物科技上的应用 近场光学成像无需对样品作各种处理，能够在空气、液体等各种环境下，进行光学 无损伤观察、原位探测，对生物样品进行高分辨研究，并且能结合荧光、光谱探澳4 等技 术，因而近场光学显微镜成像技术的发展受到生命科学家的极大重视。 s n o m 在单分子识别方面显示其独特的作用，可以观察分子闻能量的共振转移等。 尽管目前从分辨率到动态成像水平等方面近场光学成像技术离生物学上的要求还有一 定的距离，但是物理学家与生物学家的密切合作已经取得了有益的进展。这些成果的获 得已充分显示了近场技术在生命科学中应用的巨大前景。随着近场光学显微镜系统分辨 率、成像速度和稳定性的进一步提高，相信在不久的将来，近场技术结合其它技术能实 现单分子实时成像。 1 3 近场光学理论分析方法 近场光学显微镜成像结果的解释是一个非常复杂的问题，因为所得的光强图像反映 的是样品形貌及光学参量( 如折射率、反射率等) 的综合变化，同时存在探针与成像样品 间的相互作用。为了细致的考察影响近场光学显微镜成像的各种因素，必须从理论上去 模拟分析近场光学显微镜成像过程，从而能分析近场成像。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 1 时域有限差分法 时域有限差分( f 啪) 方法在1 9 6 6 “”年由k s y e e 第一次提出，目前已经发展为一 种成熟的数值方法。该方法直接将有限差分式代替麦克斯韦时域场旋度方程中的微分 式，得到关于电磁场分量的有限差分式，用具有相同电磁参量的空间网格去模拟被研究 体，选取合适的场初始值和计算空间的边界条件，可以得到包括时间变量的麦克斯韦方 程的四维数值解。 1 9 9 5 年d 丸c h r i s t e n s e n 将f d t d 方法用于光探针的二维局域场计算，较好地解决 了光频作用下的金属和介质界面的边界条件问题。1 9 9 6 年f u m k a w a 和k a w a t a 模拟计 算了收集模式的s n o m ，1 9 9 8 年t a f l o v e 模拟计算了发射模式的s n 0 h t 。近年来又有许多 作者研究任意形状三维光纤尖的近场强度分布，并考虑探针与样品表面的相互作用等， 得到较好的效果，显示了f f i d 方法在解决近场光学闯题时的巨大潜力。本课题组应用 f d t d 方法来计算近场光学全内反射和p s t m 系统。它的缺点是要求计算机存储空间大， 计算时间长等。 到目前为止几乎被应用到了电磁场工程的各个方面：辐射天线的分析、微波器件的 研究、散射和雷达截面计算、周期结构分析、电子封装和电磁兼容分析、核电磁脉冲的 传播和散射以及微光学器件中光的传播和衍射特性，生物电磁学等，以及在天线、微波 技术、光电子学等的应用中也越来越受到重视。 1 3 2 有限元法 有限元方法1 4 1 4 2 堤在数学上由r c o u r a n t 首先提出的，一种以微分方程为基础来求 解数理边值问题的计算方法。而后在r ，w a o u 曲的著作中【4 3 】正式被命名，在1 9 6 8 年开 始由力学领域应用戮求解电磁场工程闯题。它是通过各种恰当的形式将求解空间划分为 有限个单元，再在每个单元中构造分域基函数，利用里茨法或伽辽金法构造代数形式的 有限元方程。其优点主要有：离散单元的灵活性，它可以较精确的模拟各种复杂的几 何结构，并通过选择取样点的疏密来适应场分布的不同情况，在保证计算精度的同时， 不增加过多的计算量；有限元方程组的系数矩阵是稀疏的、对称的，有利于代数方程 组的求解。所以，有限元法可用于任何微分方程描述的各类物理场，同样适合于时变场、 非线性场和复杂介质中的电磁场求解。 由于其基于微分方程，因此存在缺点：可能比积分方程法的解域多一维，增加未 知量的数目；对于开放问题，必须利用吸收边界条件截断计算空间，增加计算复杂度。 随着工程应用的深入另一些问题也随之出现：所解决问题的复杂性和经费、时间以及 计算机能力有限的矛盾；分割的元素数和节点数较多，导致所需要的初始数据繁多： 近场光学不同成像方式的数值模拟 有限元法产生的代数矩阵方程的条件数会随着网格细分、单元尺寸变小而变坏，最终 导致计算结果变差。 1 3 3 矩量法 矩量法是一种将连续方程离散化为代数方程组的方法，适用于微分方程和积分方 程。最早被r i c h m a n d 和h a r r i n g t o n 用于求解电磁场问题，后来经h a r r i n g t o n 系统地论述， 成为求解电磁场问题数值解的主要方法之一，并成功的应用于天线问题和电磁散射问 题。其基本原理是：先将需要求解的微分方程或积分方程写成带有微分或积分算符的算 子方程；再将待求函数表示为某一组选用的基函数的线性组合并代入算子方程；最后用 组选定的权函数对所得的方程取矩量，就得到一个矩阵方程或代数方程组，运用各种 数学手段如矩阵反演和数值积分等进行计算。 矩量法能解决边界比较复杂的问题，这是严格解析法和近似解析法所不能解决的问 题。但是它的应用也受到几方面的限制：必须针对所要求解的问题导出相应的积分方 程；需要选择、构造全域或分域上满足边晃条件的基函数；计算工作量大。 1 3 4 多重多极子法 多重多极子( m u l t i p l em u l t i p o l e ，m m p ) 1 “撕】方法是另种新的电磁场计算方法。 1 9 8 0 年由h a f n e t 在他的博士论文关于长波长的天线设计中首次提出。1 9 9 3 年n o v o i n v 和 p o h l 2 9 - 3 1 】把多极予本征解应用于分析近场光学现象，计算了二维探针的场分布。 此方法主要是用于在分段线性、均匀和各向同性介质的电磁场散射问题。其核心是以 离散的多极子源为背景，直接展开局域未知场函数而建立代数方程形式的数学模型。 1 3 5 格林函数方法 格林函数方法是与局域微扰理论相联系的能完成任意形状和光学状态的一种计算 工具。它可以避免边界条件的匹配问题，通过自身的积分方程来求解m a x w e l l 方程一般 解。1 9 9 1 年，c g i r a r d 等【4 7 】讨论了李普曼一薛维格尔方程的离散化问题，促进了该方 法在近场光学中的应用。格林函数是从线性边界值问题得出的核函数，如果要得到源产 生的场，必须先得到源的每一组成部分产生的场，然后相加求和。求解出格林函数就能 得到实际问题的解，这样就把实际闯题转化为构建相应的格林函数。此方法优点在于： 可利用s 函数的性质，便于求一个点源满足一定边界条件下的场，格林函数可以用较 简单的方法求得；可以利用已有的格林函数，只要求出给定区域内满足一定边界条件 的格林函数后，就可以直接加以利用，不管源分布和边界条件如何，不必每次去求格林 大连理工大学硕士学位论文 函数。其缺点：是对于大型的研究系统， 存储的数值较大，而且计算时间相当长， 进行离散化后得到的矩阵方程较大，因此需要 从而对计算机的要求比较高。 近场光学不同成像方式的数值模拟 2 时域有限差分法及其相关应用 2 1 时域有限差分( f d t d ) 法 时域有限差分( f d t d ) 法是当前电磁场领域应用最为广泛的数值方法之一，是将 m a x w e l l 方程进行二阶精度差分离散，满足一定初始条件和边界条件按时间步推进交替 计算空间电场和磁场。随着电磁理论的发展和计算机性能的不断提高，f d t d 由