近场光学显微镜

新型的近场光学显微镜的出现，使人们的视野拓宽到波长的十分之一以下，即纳米尺度。在近场光学显微镜中，采用孔径远小于光波长的探针代替光学镜头。当把这样的亚波长探针放置在距离物体表面一个波长以内，即近场区域时，通过探测束缚在物体表面的非辐射场，可以探测到丰富的亚微米光学信息。

背景简介

传统光学显微镜(即远场光学显微镜)是显微镜家族中年代最久远的成员，它曾是观测微小结构的唯一手段。传统光学显微镜由光学透镜组成，利用折射率变化和透镜的曲率变化，将被观察的物体放大，来获得其细节信息。然而，光的衍射极限限制了光学显微镜分辨力的进一步提高。由瑞利分辨力极限可知，光学显微镜的放大倍数是不能任意增大的。瑞利判据建立在传播波的假设下，如果能够探测携带物体细节信息的倏逝波，就能规避瑞利判据，突破衍射极限的限制。

近场光学既是突破衍射极限的一种有效光学手段，它是随着科学技术向小尺寸和低维空间推进所出现的光学领域中的一个新型交叉学科，其研究对象是距离物体表面一个波长（几个纳米）以内的光学现象。近场光学显微术是一种新型超高分辨率显微成像技术，是探针技术与光学显微技术相结合的产物，是近场光学中的一个重要组成部分。

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。所谓的“近场”区域内包含：（l）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。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倏逝波来探测样品的亚波长结构和光学信息。近年来，近场光学显微术在理论和实践上都已取得了突破性的发展。

由于光子具有一些特殊的性质，如没有质量、电中性、波长比较长(与电子相比较)、容易改变偏振特性、可以在空气及许多介电材料中传播等等，近场光学在纳米尺度观察上起到其他扫描隧道显微镜、原子力显微镜所不能取代的作用，引发了近场光学显微镜在纳米尺度光学成像、纳米尺度光学微加工与光刻、超高密度信息存储、以及生物样品的原位与动态观察等一系列研究。在这个领域中，另一个新的发展是近场光学技术与近场光谱及时间分辨的结合。人们不但能够分辨单一的分子，并且能得到单一分子发出的荧光光谱及与时间分辨(10 - 15s)相结合的介观体系信息。同时，也提出了近场条件下分辨率、衬度、偏振及光的传播特性的新的理论问题。

近场光学显微镜原理

传统的光学显微镜由光学镜头组成，可以将物体放大至几千倍来观察细节，由于光波的衍射效应，无限提高放大倍数是不可能的，因为会遇到光波衍射极限这一障碍，传统的光学显微镜的分辨率不能超过光波长的一半。比如，以波长λ=400nm的绿光作为光源，仅能分辨相距为200nm的两个物体。实际应用中λ>400nm，分辨率要更低些。这是因为一般的光学观察都在距离物体很远的位置（>>λ）。

近场光学显微镜根据非辐射场的探测和成像原理，能够突破普通光学显微镜所受到的衍射极限，可以在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。

近场光学显微镜由探针、信号传输器件、扫描控制、信号处理和信号反馈等系统组成。近场产生和探测原理：入射光照射到表面上有许多微小细微结构的物体上，这些细微结构在入射光场的作用下，产生的反射波包含限制于物体表面的倏逝波和传向远处的传播波。倏逝波来自于物体中的细微结构（小于波长的物体）。而传播波则来自于物体中粗糙的结构（大于波长的物体）后者不含任何物体细微结构的信息。如果将一个非常小的散射中心作为纳米探测器（如探针)，放在离物体表面足够近的地方，将倏逝波激发，使它再次发光。这种被激发而产生的光同样包含不可探测的倏逝波和可传播到远处探测的传播波，这个过程便完成了近场的探测。倏逝场与传播场之间的转换是线性的，传播场准确地反映出隐失场的变化。如果用一个散射中心在物体表面进行扫描，就可以得到一幅二维图象。根据互逆原理，将照射光源和纳米探测器的作用相互调换一下，采用纳米光源（倏逝场）照射样品，因物体细微结构对照射场的散射作用，倏逝波被转换为可在远处探测的传播波，其结果完全相同。

近场光学显微是由探针在样品表面逐点扫描和逐点记录后数字成像的。图1是一种近场光学显微镜的成像原理图。图中x-y-z粗逼近方式可以用几十纳米的精度调节探针至样品的间距；而x-y扫描及z控制可用1nm精度控制探针扫描及z方向的反馈随动。图中的入射激光，通过光纤引入探针，并可根据要求改变入射光的偏振态。当入射激光照射样品时，探测器可以分别采集被样品调制的透射号和反射信号，并由光电倍增管放大，然后直接由模-数转换后经计算机采集或通过分光系统进入光谱仪，以得到光谱信息。系统控制、数据采集、图像显示和数据处理均由计算机完成。由以上成像过程可以看出，近场光学显微镜可同时采集3类信息，即样品的表面形貌、近场光学信号及光谱信号。

近场光学显微镜的组成部分

物镜

近场光学显微镜的核心部件是孔径小于波长的小孔装置，如光纤探针，它的几何孔径类似于显微物镜的数值孔径。在光纤探针至被照明样品距离一定时，光学探针透光孔径的大小对近场光学显微镜的分辨率起着关键的作用。对于近场光学显微镜，为了获得较高分辨率，一方面，必须使通过光学探针的光束在横向上尽可能地受到限制；另一方面，也要使通过限制区域的光流量尽可能大，以提高信噪比。

探针与样品间距的测控

近场光学显微镜是利用纳米量级的高度局域的近场光获得物体形貌像，它要求采用网格状逐点扫描技术来获取样品的形貌像。在扫描过程中，一个很关键的问题是必须使探针与样品间的距离控制在近场(几纳米至几十纳米)尺度范围内并保持某一恒定值。因此，精确测控探针与样品间的距离是近场光学显微镜中的一个很重要环节。到目前为止，已发展了几种控制探针与样品间距的测控技术，如：切变力强度测控技术，接触型测控技术，隧穿电流强度测控技术，近场光强度测控技术。

光路

光路是近场光学显微镜的另一主要结构部件，它主要包括光源和照明光路以及收集光路和光探测器两大部分。

近场光学显微镜的应用

由于近场光学显微镜能克服传统光学显微镜低分辨率以及扫描电子显微镜和扫描隧道显微镜对生物样品产生损伤等缺点，因此得到了越来越广泛的应用，特别是在生物医学以及纳米材料和微电子学等领域，成为探索生物大分子活动奥秘的光学手段，给生物学家们带来强有力的实验武器。利用近场光学显微镜，已在生物学研究所涉及的许多领域展开了工作，不仅有静态的形貌像的观察研究，如细胞的有丝分裂，染色体的分辨与局域荧光，原位DNA，RNA的测序，基因识别等，还有利用观察形貌像随时间变化的动力学过程的研究。

生物学研究应用

由于光子的特性，近场光学显微镜在生物研究中具有许多优点：

(1)超越光学衍射极限的分辨率，甚至可达到亚纳米量级；

(2)光学显微技术，无侵入性，可在生物的自然状态环境下进行观测研究；

(3)能够观测吸收、反射、荧光、偏振对比度，透视生物样品内部光学性质；

(4)光谱学分析，对化学状态具有高分辨率；

(5)局域(纳米级)光与样品的相互作用；

(6)单分子水平观测灵敏度，1 photon/ sec ；

(7)纳米空间分辨率，高时间分辨率(飞秒) ；

(8)能在室温条件下工作。

微电子技术方面的应用

信息技术的核心是信息的高密度存储。由于近场光学显微镜对环境条件要求低，以及已有的成熟的光盘技术基础，因此，它已成为各种近场高密度信息存储技术的强有力的竞争者。提高信息存储密度是科研和工业界极为关注的重大问题。目前的光学及磁光读写方式采用的是远场技术，由于受衍射极限的限制，读写斑的尺寸被控制在1 mm左右，存储密度约为55 Mbit/cm2，并且使用较短的激光波长对存储密度提高不大。而近场光学的发展提供了一种新的原理。由于扫描近场光学显微镜能突破衍射极限的限制，因而大大提高了存储密度。

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