近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡及其應(yīng)用111

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1、第39卷，第6期Vol.39,No.62002年6月激光與光電子學(xué)進(jìn)展June2002近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡及其應(yīng)用*葛華勇（上海大學(xué)物理系，上海200436）提要近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡是一種新型超高空間分辨率的光學(xué)儀器，它在很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。本文描述了近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的成像原理及結(jié)構(gòu)部件，簡(jiǎn)要介紹了近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡在高分辨率光學(xué)成像、高密度信息存儲(chǔ)以及近場(chǎng)光譜等領(lǐng)域中的應(yīng)用關(guān)鍵詞近場(chǎng)光學(xué)，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，分辨率極限近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的成像方式們不能用光學(xué)元件重現(xiàn)物體，即1前言和結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的光學(xué)顯微出現(xiàn)衍射極限。然而，這種衍射極鏡，它是通過探針在樣品表面逐限對(duì)分辨率的限制并非是本質(zhì)的，80年代以來，隨著科學(xué)

2、技術(shù)點(diǎn)掃描，并將探測(cè)到的光信號(hào)進(jìn)如果將尺寸小于波長(zhǎng)的探針置于向小尺度與低維空間的推進(jìn)以及行處理成像。受衍射極限的限探針和樣品間距小于l的范圍掃描探針顯微技術(shù)的發(fā)展，在光制，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡的分辨率內(nèi)，即在近場(chǎng)條件下，用掃描的學(xué)領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個(gè)新學(xué)科——極限為[(0.61l)/(NA)]（不相干光方式采集來自樣品的信息，則可近場(chǎng)光學(xué)。近場(chǎng)光學(xué)是指光探測(cè)獲得超出衍射極限的分辨率[1]。照明，式中NA為數(shù)值孔徑，l為器及探測(cè)器與樣品間距均小于輻光波長(zhǎng)），或[(0.77l)/(NA)]目前已發(fā)展了一系列近場(chǎng)光學(xué)顯射波長(zhǎng)條件下的光學(xué)現(xiàn)象；而近（相干光照明）。在可見光范圍內(nèi)，微鏡，所報(bào)道的分辨率極限已經(jīng)

3、場(chǎng)光學(xué)顯微鏡是基于近場(chǎng)光學(xué)理分辨率極限最好可達(dá)到200nm左達(dá)到(l/20)～(l/40)。論的一種新型超高空間分辨率光右，這時(shí)，成像用的鏡頭尺寸及學(xué)儀器。1984年，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡頭與樣品間距遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光波波2近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的成像原理鏡的原型“光學(xué)聽診器”的發(fā)明，長(zhǎng)，即處于遠(yuǎn)場(chǎng)條件。而對(duì)微小物及結(jié)構(gòu)標(biāo)志著人類第一次突破了光學(xué)顯體成像的要求是盡可能多地記錄2.1成像原理微鏡的衍射極限分辨率。自1992年物體所載有的各種空間頻率。由用單模光纖做成光學(xué)探針以及利用傅里葉光學(xué)我們知道，一個(gè)成像近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的成像原理切變力進(jìn)行探針針尖至樣品表面距系統(tǒng)是將樣品發(fā)出的各個(gè)傅里葉不同于傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡，它

4、是離測(cè)控后，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡開始被分量或空間頻率收集而進(jìn)行合成，由探針在樣品表面逐點(diǎn)掃描，逐作為一種用于觀察和研究亞波長(zhǎng)物處于遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)，由于有限的數(shù)點(diǎn)記錄后數(shù)字成像。圖1是一種近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的成像原理圖[1]。體的外觀形貌和內(nèi)在性質(zhì)的新型光值孔徑，通常使用的探測(cè)元件都學(xué)儀器。在此后的短短幾年內(nèi)，在相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器，即僅僅圖中x-y-z粗逼近方式可以在幾納米和介觀尺度上，它被廣泛應(yīng)用采集到信號(hào)的低頻部分；當(dāng)被觀十納米的精度調(diào)節(jié)探針-樣品間到物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和信息察樣品的間距小于(l/2)時(shí)，由于距；而x-y掃描及z控制可在1產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。高的空間頻率信號(hào)的損失而使我nm精度控制探針掃描

5、及z方向的8收稿日期2002-03-16*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助課題（69778011）。作者簡(jiǎn)介：葛華勇（1976~），女，碩士研究生，主要從事近場(chǎng)光學(xué)成像理論與術(shù)研究。第39卷，第6期Vol.39,No.62002年6月激光與光電子學(xué)進(jìn)展June2002反饋隨動(dòng)。圖中的入射激光通過光學(xué)探針透光孔徑的大小對(duì)近光學(xué)顯微鏡的分辨率，必須同光纖引入探針，并可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的分辨率起著關(guān)時(shí)優(yōu)化針尖的幾何形狀。另外要求改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)。當(dāng)入鍵的作用。探針頂端錐體的角度及其變化射激光照射樣品時(shí)，探測(cè)器可分對(duì)于近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，為愈大愈光滑，光的傳輸效率愈高[4]。對(duì)于光纖探針，拉伸法別

6、采集被樣品調(diào)制的透射信號(hào)和了獲得較高分辨率，一方面，反射信號(hào)，并由光電倍增管放必須使通過光學(xué)探針的光束在橫可以制造出傳輸效率高的拋物大，然后可以直接由模-數(shù)轉(zhuǎn)換向上盡可能地受到限制；另一線型尖錐體，而化學(xué)腐蝕法則后經(jīng)計(jì)算機(jī)采集或者通過分光系方面，也要使通過限制區(qū)域的光可得到尺寸小于30nm的窗統(tǒng)進(jìn)入光譜儀以得到光譜信息。流量盡可能大，以提高信噪比。口。但當(dāng)窗口尺寸小于30nm時(shí)，光傳輸效率急劇下降[5]。整個(gè)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)的采集、圖因此，實(shí)際的光學(xué)探針應(yīng)該按照像的顯示和數(shù)據(jù)的處理均由計(jì)算上述兩方面的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制因此，為了得到性能良好的光機(jī)完成。由以上成像過程可以看作。迄今為止，已設(shè)計(jì)和

7、制作了纖探針，必須同時(shí)兼顧探針的出，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡可以同時(shí)4種不同類型的探針，它們分別窗口尺度和錐體形狀。理論計(jì)采集到三類不同的信息：樣品是小孔探針、無孔探針、等離子算表明，具有3°~6°尖錐角的表面形貌、近場(chǎng)光學(xué)信號(hào)及激元探針和混合光學(xué)探針。其中的探針將同時(shí)具有較好的窗口光譜信號(hào)。小孔探針是應(yīng)用較為廣泛的光學(xué)尺寸和最佳傳輸效率。2.2結(jié)構(gòu)探針，它既可以是用光纖制成，光纖探針是目前比較成熟2.2.1光學(xué)探針也