近场光学显微镜

1,近场光学显微镜,显微镜分辨率提高历史示意图,2,近场光学显微镜,突破分辨率极限的光学显微镜构想,1928年第六卷356362页，发表了新型显微镜的构想,Phil.Mag.,英国的申奇（E.H.Synge）认为该新型显微镜的分辨率极限可达0.01m。,3,近场光学显微镜,申奇的新型显微镜构想示意图,4,近场光学显微镜,构造和操作要点为：,在不透明的平板或薄膜上，制作出10nm的孔，放在距离一个平整度达几纳米的样品下方或上方；,入射光通过小孔照明样品，透过样品的光被显微镜聚焦到光电池上；,保持入射光强度不变，通过每步10nm移动样品，进行网格扫描，透过率不同会得到一幅图象,5,近场光学显微镜,技术上的困难：,光源必须非常强,小孔和样品间距离纳米级调节，10纳米移动,制备出大小10纳米量级的小孔,当时不具备实现这种显微镜的条件,文章被遗忘，1990年才重新提起,6,近场光学显微镜,突破光学显微镜分辨极限率的几个里程碑,1950年，R.J.Moon建议扫描针孔，得到更大的放大倍数,1956年，J.A.Okeefe(奥基弗)建议近场光学显微镜,1972年，E.A.Ash研制成功微波近场光学显微镜,波长：3cm,7,近场光学显微镜,突破光学显微镜分辨极限率的几个里程碑,1982年，SPM(扫描探针显微镜)发明标志着纳米测控实现,1984年，IBM苏黎世研究实验室的D.W.Pohl，实心石英棒端面制备出纳米透光小孔，分辨率达到了20分之一波长。,扫描近场光学显微镜、近场扫描光学显微镜,8,近场光学显微镜,1989年，R.C.Reddick(雷蒂克)研制了另一类显微镜,光子扫描隧道显微镜,突破光学显微镜分辨极限率的几个里程碑,实用化过程,1986年，中空微导管代替石英玻璃棒，得到了好的结果,1991年，单模光纤代替中空玻璃微导管,1993年，推出商品,9,近场光学显微镜,衍射效应及其对分辨率的限制,分辨本领：分辨率，最近邻两个物点间的距离或角度称为分辨极限,衍射效应与瑞利判据,=0.61/NA,显微镜分辨率提高的传统途径,减小波长,增加数值孔径,10,近场光学显微镜,海森伯测不准原理与瑞利判据,突破分辨率衍射极限的可能性,海森伯测不准原理和海森伯显微镜,共轭动力学变量是不能同时确定的,普朗克-爱因斯坦关系,三维,一维,11,近场光学显微镜,海森伯显微镜实验示意图,瑞利判据,由图可知,结果为：,12,近场光学显微镜,瑞利判据是测不准关系的一种表述,从测不准关系导出瑞利判据,波矢,和,在x方向的差值,最大值：,最小,相距为x的A、B两点的分辨问题,13,近场光学显微镜,分辨率衍射极限的突破,共轭量的测量精度不受限制，只要另一个不作要求,14,看在什么情况下，可以突破衍射极限,一般认为：,无法突破衍射极限,若：,这时：,由测不准关系得到：,近场光学显微镜,15,色散关系,要,必须ky或kz为虚数,在,时，可突破衍射极限,Kz强烈的局域场,近场光学显微镜,16,分辨率衍射极限与隐失场,将突破衍射极限的条件代入得到,在x，y方向传播，沿z方向指数衰减的隐失场,隐失场只存在于（x，y）面的近场区,近场指的是隐失场，近场一词不十分科学？,近场光学显微镜,17,近场光学显微镜,分辨率突破衍射极限只能在隐失场中实现,突破分辨率衍射极限的超分辨的成像和探测的信息，只能从隐失场中获取。,近场区隐失场的特点是什么？,18,近场光学显微镜,偶极辐射与隐失场,偶极子产生的电磁场,在远场和近场区可以简化,19,近场光学显微镜,R时,电磁场变为,典型的横波场,Rd时,20,近场光学显微镜,单位立体角内辐射的时间平均功率,R,R,无论从场的空间分布,还是辐射功率角度看,近场和远场有很大的差别,21,近场光学显微镜,远场区电磁场强度随R成反比,电场强度和功率在0和360度时为零;近场区电场强度随R三次方成反比,是隐失场,在0和360度时最大.,对径向矢量R而言,无论近场还是远场,B只有横向分量,电场在近场横向纵向分量都有,远场只有横向分量.,近场是准静态场,磁场比电场小很多倍,近场区是电场,远场是辐射场,近场是非辐射场,22,近场光学显微镜,光栅衍射与隐失场,空间频率:,傅立叶光学与角谱方法,由场U(x,y,0)在(x,y,z)引起的光波场为,23,近场光学显微镜,光栅周期大于波长的情况,上式为,光栅周期小于波长时,上式为,存在隐失场,上式有一定的误差？,24,近场光学显微镜,全反射与隐失场,全反射时有隐失场,但与界面的精细结构和起伏无关,和两种介质的折射率和入射角有关,25,近场光学显微镜,隐失场的特征与物质的精细结构,隐失场与尺度上小于波长的光源或物体相关,超分辨信息包含在隐失场中,隐失场是离开物体或光源表面在空间急剧衰减的场,结构越精细,电磁场的局域越强烈,隐失场不向外辐射能量,26,近场光学显微镜,近场探测的核心问题,传统的光场探测技术是远场区,把含有超分辨率信息的隐失场转变为携带信息的可进行能量输运的传播场,使放在远处的探测或成像器件可以接受到隐含在隐失场中的超分辨信息是近场探测的核心问题,27,近场光学显微镜,近场探测的基本原理,存在于隐失场中的偶极子,将感应产生包含隐失场和辐射场的电磁波.通过在隐失场中放置可看作偶极子的物体,就可以通过后者,将超分辨信息传到远处的探测器上.,光线可逆原理:用含有超分辨的隐失场照射具有小于一个波长的精细结构,如光栅等,就可以通过后者将隐失场转变为含有超分辨率的传导波,28,近场光学显微镜,近场光学显微镜技术要点,探针尺寸越小越好,小于波长,探针与样品间距离越小越好,小区域成像,要扫描,29,近场光学显微镜,近场光学显微镜的基本结构,30,近场光学显微镜,扫描光子隧道显微镜工作原理和结构示意图,31,近场光学显微镜,不同工作模式的近场光学显微镜,32,近场光学显微镜,近场光学显微镜的主要部件,光学探针,探针样品间距离监控,光路,33,近场光学显微镜,光学探针,小孔探针：光纤导光型探针、非光纤导光型探针,无孔探针：无孔导光探针、发光探针,探光探针（透光悬臂探针、光子探测器探针）,散射探针,等离子体激元探针,混合光学探针,34,近场光学显微镜,探针与样品间距离的测控,除SPM技术外，还有新的方法,隧穿电流强度测控技术,近场光强度测控技术,切变力强度测控技术,其它测控技术,35,近场光学显微镜,近场光学显微镜应用,超分辨成像:可见光成像,偏振光成像,近场光谱学,近场光电导,近场光刻写,近场光存储,36,近场光学显微镜,37,近场光学显微镜,反射模式,38,39,透射模式,40,41,收集模式,42,近场光学显微镜,荧光模式,43,光谱模式,近场光学显微镜,44,近场光学显微镜,剪切力模式,45,剪切力模式,46,47,LowTemperatureNear-FieldOpticalMicroscope(NSOM),48,SingleInGaAs/GaAsQDsspectroscopyperformedatlowtemperature(35K)byusingthecryogenicNear-fieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM).ThesampleconsistsinselforganizedInGaAs/GaAsquantumdotsgrownbyMetalOrganicVaporPhaseEpitaxy(MOVPE,A.PassaseoNNL-INFMLecce).Inordertoisolateasingledotstructurea200*200nm2and30nmheightnano-mesawasdefinedbyElectronBeamLithography(EBL)atthecenterofa6*6mm2window.Thesingledotluminescencewereexitedinnearfieldconditionbythe514.5nmlineofanArgonlaserandcollectedinfarfield.Theluminescencewasdispersedbya0.3moffocallengthspectrographequippedwithacooledCCD.Thespatialandspectralresolutionwereofabout200nmand0.4meVrespectively.,49,Transmission(left)andfluorescence(right)imagesofthesamesample.Latexbeads93nmarelabelledwithtwodifferentdyes.Therightimagewasmadewithaninterferencefilterforoneofthetwodyes(647nm).Henceonlyfeatureswhicharelabelledwiththecorrespondingdyearevisible(blue);beadslabelledwiththeotherdyeremaindark(green).,50,Hexagonalringsofaluminiumparticles(onglass):afterremovalof220nmdiam.latexballsimagedusingshear-forceSFMdetection(left)andtransmissionmodeSNOM(right).,51,DRAMafterpolishing(conventionalopticalmicroscopy).,ReflectionmodeSNOMrevealingtheelectricalcontactsundertheSiO2layer.,Shear-forcetopographyimagingonlyshowstwoofthemetallinesandcontaminationfromthepolishing.(3.53x3.53m2),52,Nano-colloidsandpowdersexhibittechnologicallyimportantproperties.ReflectionmodeSNOMofTiN(5%)/Al2O3nano-colloidsrevealsacleardifferencebetweentopographyandopticalsignal,whichcouldbeinterpretedasmaterialscontrast;2mx2m.,Opticalresponse(reflectionmodeSNOM),Topography(Shear-ForceSFM),53,ImagesofbacteriabredtoproduceGFP(GreenFluorescentProtein).Left:AFMshear-forcetopography.Right:TransmissionmodeSNOM.Thefluorescenceisclearlyseentoemanatefromasmallnumberofdiscreteareaswithinthesample.,54,Polystyrenespheresarewidelyusedasstandardtestsamplesinopticalmicroscopy.Spheresof500nmdiameterprovideanidealtestsampleforSNOM.Inbothtransmissionandreflectionmodes,theTwinSNOMachievesfarsuperioropticalresolutionandcontrastcomparedtoconventionalopticalmicroscopy.,ReflectionSNOMTransmissionSNOM,ConventionalOpticalMicroscopyImages,55,250nmlines,SNOM:Reflection(left).Topography:(middle).Brightfieldopticalmicroscopy:50 xobjective(right).,100nmlines,70nmlines,56,ReflectionmodepolarizationSNOM.Fromleft:topographicalimageofscannedarea,SNOMwithanalysersettomaximumandminimumdetectorintensitylevels,comparisonofthepolarizationmeasurementsbymeansofimageaddition.(6mx6m),PolarizationSNOM-AgColloids,57,Tra