近場光學(xué)與近場光學(xué)顯微鏡

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1、北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),第33卷,第3期,1997年5月述評ActaScientiarumNaturaliumReviewUniversitatisPekinensis,Vol.33,No.3(May,1997)1)近場光學(xué)與近場光學(xué)顯微鏡朱星(北京大學(xué)物理系,人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100871)摘要近場光學(xué)是研究距離物體表面一個波長以內(nèi)的光學(xué)現(xiàn)象的新型交叉學(xué)科。基于非輻射場的探測與成像原理,近場光學(xué)顯微鏡突破常規(guī)光學(xué)顯微鏡所受到的衍射極限,在超高光學(xué)分辨率下進(jìn)行納米尺度光學(xué)成像與納米尺度光譜研究。本文將討論近場光學(xué)的基本原理,非輻

2、射場的探測與高分辨率的關(guān)系;光學(xué)限閾及隱失場在近場光學(xué)中的重要性;以及近場信息的獲取方法。對近場光學(xué)顯微鏡的主要類型及相應(yīng)的儀器發(fā)展,分辨率,襯度原理做一綜述。同時(shí)簡要介紹近場光學(xué)顯微鏡在超高分辨率光學(xué)成像,近場局域光譜,高密度數(shù)據(jù)存儲,在生命科學(xué),單分子光譜,量子器件發(fā)光機(jī)制等領(lǐng)域中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞近場光學(xué);近場光學(xué)顯微鏡;掃描探針顯微學(xué);介觀物理;納米光譜中圖分類號O43311;O47213;TN247;TN250引言80年代以來,隨著科學(xué)與技術(shù)向小尺度與低維空間的推進(jìn)與掃描探針顯微技術(shù)的發(fā)展,在光學(xué)領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個新型交叉學(xué)科——近場光學(xué)。近場光學(xué)對傳

3、統(tǒng)的光學(xué)分辨極限產(chǎn)生了革命性的突破。新型的近場光學(xué)顯微鏡(NSOM——Near2fieldScanningOpticalMicroscope,或稱SNOM)的出現(xiàn)使人們的視野由入射光波長一半的尺度拓展到波長的幾十分之一,即納米尺度。在近場光學(xué)顯微鏡中,傳統(tǒng)光學(xué)儀器中的鏡頭被細(xì)小的光學(xué)探針?biāo)?其尖端的孔徑遠(yuǎn)小于光的波長。當(dāng)把這樣的亞波長光孔放置在距離物體表面一個波長以內(nèi),即近場區(qū)域時(shí),可以探測到豐富的亞微米光學(xué)信息,而這些精細(xì)結(jié)構(gòu)信息僅僅存在于表面的非輻射場內(nèi)。在常規(guī)的光學(xué)方法中,探測元件(如鏡頭)則位于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長的遠(yuǎn)場中。由于衍射效應(yīng),光斑的尺寸隨距

4、離增加而擴(kuò)大,常規(guī)顯微鏡只能獲得由輻射場攜帶的大于波長一半的結(jié)構(gòu)信息,即受到衍射極限的限制。[1]當(dāng)掃描隧道顯微鏡(STM)在1981年出現(xiàn)時(shí),就有人幾乎同時(shí)提出近場光學(xué)顯微鏡的設(shè)[2,3]想。這兩種高空間分辨率技術(shù)的基本原理很相似:STM是基于隧道電子的探測,而近場光學(xué)顯微鏡是探測隧道光子。由于光子具有一些特殊的性質(zhì)。如:沒有質(zhì)量、電中性、波長比較長(與電子相比較)、容易改變偏振特性、可以在空氣及許多介電材料中傳播等等,近場光學(xué)在納1)國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(19674004)收稿日期:1996212224;修改稿收到日期:1997201227?199

5、4-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第3期朱星:近場光學(xué)與近場光學(xué)顯微鏡395米尺度觀察上起到其他掃描探針顯微鏡,如STM,原子力顯微鏡(AFM)所不能取代的作用。近場光學(xué)的核心問題是探測束縛在物體表面的非輻射場。一方面,處于近場區(qū)域的非輻射場內(nèi)包含物體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)(<

6、。早在1928年,Synge提出:用入射光透過孔徑為10nm小孔照射到相距為10nm的樣品后,以10nm的步長掃描并且收集微區(qū)的光信號時(shí),就可能獲得超高分辨率。在這種直觀的描述中,Synge已經(jīng)清楚地預(yù)測了現(xiàn)代近場光學(xué)顯微鏡的主要特征。當(dāng)然,由于技術(shù)發(fā)展的限制,當(dāng)時(shí)不可能制備這樣小的光孔,并且可靠地放入近場以及二維掃描。這樣一個極其聰明的[5]設(shè)想被人們忽略了幾十年。直到1970年,Ash和Nicholls應(yīng)用近場的概念,在微波波段(K=3cm)實(shí)現(xiàn)了分辨率為K?60的二維成像。然而,沒有納米尺度的精密加工與掃描技術(shù),將近場觀察推廣到可見光波段是極其困難[

7、2]的。1983年,IBM蘇黎世研究中心成功地在金屬鍍膜的石英晶體尖端制備了納米尺度的光孔。利用隧道電流作為探針和樣品間距的反饋,獲得K?20的超高光學(xué)分辨率的圖象。在同一時(shí)[3]期,Cornell大學(xué)將微毛細(xì)管拉伸成為極細(xì)的光孔作為探針,也獲得了類似的成功。而Fisch2er則自1981年起提出一系列實(shí)現(xiàn)近場觀察的方案:如金屬模板與單層感光染料膜之間的能量[6][7][8]轉(zhuǎn)換,反射方式,單粒子等離子法,同軸探針法。在最近采用的四面體探針法中,用STM作調(diào)控,他們達(dá)到的分辨率優(yōu)于3～5nm。使近場光學(xué)能引起更廣泛關(guān)注的推動來自于AT&TBell實(shí)驗(yàn)室。1

8、991年Betzig等人用光[9]學(xué)纖維制成高通光率的錐形光孔,側(cè)