近場(chǎng)光學(xué)理論及近場(chǎng)光學(xué)顯微介紹

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1、近場(chǎng)光學(xué)理論及近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡介紹2604101022孫森摘要由對(duì)表面等離子體的介紹引入表面波與傳統(tǒng)光學(xué)所研究的遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波的不同點(diǎn)，說(shuō)明了其近場(chǎng)波具有的衰減波突破了傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限的限制。因此對(duì)近場(chǎng)光學(xué)的研究是必要的。然后本文介紹了現(xiàn)有近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的典型工作方式及結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)要概括了不同工作方式的特點(diǎn)及其適用目的。后半部分著重介紹了四種常用的近場(chǎng)光學(xué)的理論分析方法。它們分別是：時(shí)域差分法（FDTD），有限元法，矩量法，多重極子法。1.表面等離子體介紹表面等離子體（surfaceplasmon）是存在于金屬與介電質(zhì)界面上的表面電磁波。在二十世紀(jì)初，就已經(jīng)在金屬光柵的反射光

2、譜中觀察到與表面等離子相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象。表面等離子共振的高靈敏度，也被廣泛利用于化學(xué)、生物感測(cè)上。表面等離子體模式會(huì)局限在金屬表面附近，形成高度增強(qiáng)的近場(chǎng)（highlyenhancednear-field）。例如表面增強(qiáng)拉曼光譜學(xué)（Surface-enhancedRamanspectroscopy,SERS），長(zhǎng)久以來(lái)，光學(xué)元件受限于光的衍射極限（opticaldiffractionlimit），在光學(xué)元件的制作上一直未能達(dá)到極小、極高密度、極高效率的目的。人們對(duì)納米尺度下的光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生了極大的興趣，引發(fā)了對(duì)納米光學(xué)（nano-optics）與納米光子學(xué)（nanoph

3、otonics）的熱烈研究。2.金屬平面上的表面等離子體模式在金屬與介電物質(zhì)（或是真空）之間形成的介面附近，金屬表面的電荷密度發(fā)生集體式電偶極振蕩現(xiàn)象（如圖所示），我們稱為表面等離子體振蕩（surfaceplasmaoscillation）。Z<0是金屬部分，Z>0是介電材料或是真空的部分。電場(chǎng)強(qiáng)度離開(kāi)介面后會(huì)呈指數(shù)函數(shù)衰減的情況。TE電場(chǎng)只存在于平行于分界面的方向上TM磁場(chǎng)只存在于平行于分界面的方向上傳統(tǒng)的探測(cè)手段不能探測(cè)很快衰減的高頻波，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡就可以在一定程度上解決這個(gè)問(wèn)題3.近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡以透鏡為成像的核心元件，然而由于其工作距離總是大于

4、探測(cè)光波波長(zhǎng)，分辨率受衍射極限的限制。1881年，英國(guó)人LRaleigh將德國(guó)人abbe的空間分辨率極限表示為瑞利判據(jù)，隨著時(shí)代的進(jìn)步科技的發(fā)展，所以另一種光學(xué)顯微鏡—近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡應(yīng)運(yùn)而生，其成像原理基于電磁場(chǎng)理論，并且能夠突破傳統(tǒng)的光學(xué)衍射極限，使探測(cè)達(dá)到納米尺度。1928年，E.H.Synge在《Phil.Mag.》上提出:利用小于波長(zhǎng)的光學(xué)孔徑作為光源，并在探測(cè)距離也小于光波長(zhǎng)的條件下通過(guò)掃描樣品光點(diǎn)強(qiáng)度，來(lái)實(shí)現(xiàn)超衍射極限分辨。在1972年，E.AAsh和G.Nichofs采用3cm微波利用近場(chǎng)成像原理在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了超衍射分辨用直徑為1.smm的小孔掃描光柵

5、樣品，成像分辨率達(dá)入/60。由于技術(shù)的限制，這種新思想直到1981年STM的發(fā)明才得以實(shí)現(xiàn)。近場(chǎng)光學(xué)成像不同于經(jīng)典光學(xué)，它所涉及的是一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光學(xué)理論和現(xiàn)象。所謂的“近場(chǎng)”區(qū)域內(nèi)包含：(l)輻射場(chǎng):是可向外傳輸?shù)膱?chǎng)成分;(2)非輻射場(chǎng):是被限制在樣品表面并且在遠(yuǎn)處迅速衰減的場(chǎng)成分。由于近場(chǎng)波體現(xiàn)了光在傳播時(shí)遇到空間光學(xué)性質(zhì)不連續(xù)情況下的瞬態(tài)變化，所以可以通過(guò)探測(cè)樣品的隱失場(chǎng)來(lái)探測(cè)樣品的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和光學(xué)信息。如圖所示的近場(chǎng)光學(xué)探測(cè)原理:將一個(gè)亞波長(zhǎng)尺寸的光源(如一個(gè)納米小孔)，放置在樣品的近場(chǎng)區(qū)域(距離遠(yuǎn)小于波長(zhǎng))，樣品被照明的區(qū)域僅由光源或小孔的尺寸決定而與光

6、源波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，這樣探測(cè)光強(qiáng)信號(hào)就可以得到樣品的光學(xué)圖像。由于所成圖像的分辨率僅由孔徑的大小所決定，這樣就能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的衍射限制。一般近場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分為:小孔徑掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(A一SNOM)、無(wú)孔徑尖散射掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(S一SNOM)和PsTM三種基本類型，根據(jù)光與樣品的關(guān)系又可分為透射型(T)和反射型(R)兩類。4.近場(chǎng)光學(xué)理論分析方法近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡成像結(jié)果的解釋是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)樗玫墓鈴?qiáng)圖像反映是樣品形貌及光學(xué)參量的綜合變化，為了細(xì)致的考察成像的各種因素，必須從理論上去擬分析近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡成像過(guò)程，從而能分析近場(chǎng)成像。4.1時(shí)

7、域有限差分法(FDTD)時(shí)域有限差分(FDTD)方法在1966年由K.s.Yee提出，該方法直接將有限差分式代替麥克斯韋時(shí)域場(chǎng)旋度方程中的微分式，得到關(guān)于電磁場(chǎng)分量的有限差分式，用具有相同電磁參量的空間網(wǎng)格去模擬被研究體，選取合適的場(chǎng)初始值和計(jì)算空間的邊界條件，可以得到包括時(shí)間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解。Yee氏網(wǎng)格中每個(gè)坐標(biāo)軸方向上場(chǎng)分量間相距半個(gè)網(wǎng)格空間步長(zhǎng)，因而同一種場(chǎng)分量之間相隔正好為一個(gè)空間步長(zhǎng)。在無(wú)源區(qū)域，可把Maxwell方程的兩個(gè)旋度方程表示為如下的形式:(4.1)(4.2)磁場(chǎng)各分量的差分方程可由方程的對(duì)稱性得出。算法的特點(diǎn)是:任一網(wǎng)格點(diǎn)上