近場光學與近場光學顯微鏡

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1、北京大學學報(自然科學版),第33卷,第3期,1997年5月述評ActaScientiarumNaturaliumReviewUniversitatisPekinensis,Vol.33,No.3(May,1997)1)近場光學與近場光學顯微鏡朱星(北京大學物理系,人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點實驗室,北京,100871)摘要近場光學是研究距離物體表面一個波長以內(nèi)的光學現(xiàn)象的新型交叉學科?；诜禽椛鋱龅奶綔y與成像原理,近場光學顯微鏡突破常規(guī)光學顯微鏡所受到的衍射極限,在超高光學分辨率下進行納米尺度光學成像與納米尺度光譜研究。本文將討論近場光學的基本原理,非輻

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

3、統(tǒng)的光學分辨極限產(chǎn)生了革命性的突破。新型的近場光學顯微鏡(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。在近場光學顯微鏡中,傳統(tǒng)光學儀器中的鏡頭被細小的光學探針所代替,其尖端的孔徑遠小于光的波長。當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,可以探測到豐富的亞微米光學信息,而這些精細結(jié)構(gòu)信息僅僅存在于表面的非輻射場內(nèi)。在常規(guī)的光學方法中,探測元件(如鏡頭)則位于遠遠大于波長的遠場中。由于衍射效應,光斑的尺寸隨距

4、離增加而擴大,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]當掃描隧道顯微鏡(STM)在1981年出現(xiàn)時,就有人幾乎同時提出近場光學顯微鏡的設[2,3]想。這兩種高空間分辨率技術的基本原理很相似:STM是基于隧道電子的探測,而近場光學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,近場光學在納1)國家自然科學基金資助項目(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:近場光學與近場光學顯微鏡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,就可能獲得超高分辨率。在這種直觀的描述中,Synge已經(jīng)清楚地預測了現(xiàn)代近場光學顯微鏡的主要特征。當然,由于技術發(fā)展的限制,當時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]設想被人們忽略了幾十年。直到1970年,Ash和Nicholls應用近場的概念,在微波波段(K=3cm)實現(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,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的超高光學分辨率的圖象。在同一時[3]期,Cornell大學將微毛細管拉伸成為極細的光孔作為探針,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,他們達到的分辨率優(yōu)于3～5nm。使近場光學能引起更廣泛關注的推動來自于AT&TBell實驗室。1

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