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1、近場光學(xué)理論及近場光學(xué)顯微鏡介紹2604101022孫森摘要由對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)場電磁波的不同點(diǎn)，說明了其近場波具有的衰減波突破了傳統(tǒng)光學(xué)衍射極限的限制。因此對近場光學(xué)的研究是必要的。然后本文介紹了現(xiàn)有近場光學(xué)顯微鏡的典型工作方式及結(jié)構(gòu)，簡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光學(xué)的理論分析方法。它們分別是：時域差分法（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
2、紀(jì)初，就已經(jīng)在金屬光柵的反射光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)、生物感測上。表面等離子體模式會局限在金屬表面附近，形成高度增強(qiáng)的近場（highlyenhancednear-field）。例如表面增強(qiáng)拉曼光譜學(xué)（Surface-enhancedRamanspectroscopy,SERS），長久以來，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
3、納米光學(xué)（nano-optics）與納米光子學(xué)（nanophotonics）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。電場強(qiáng)度離開介面后會呈指數(shù)函數(shù)衰減的情況。TE電場只存在于平行于分界面的方向上TM磁場只存在于平行于分界面的方向上傳統(tǒng)的探測手段不能探測很快衰減的高頻波，近場光學(xué)顯微鏡就可以在一定程度上解決
4、這個問題3.近場光學(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探測光波波長，分辨率受衍射極限的限制。1881年，英國人LRaleigh將德國人abbe的空間分辨率極限表示為瑞利判據(jù)，隨著時代的進(jìn)步科技的發(fā)展，所以另一種光學(xué)顯微鏡—近場光學(xué)顯微鏡應(yīng)運(yùn)而生，其成像原理基于電磁場理論，并且能夠突破傳統(tǒng)的光學(xué)衍射極限，使探測達(dá)到納米尺度。1928年，E.H.Synge在《Phil.Mag.》上提出:利用小于波長的光學(xué)孔徑作為光源，并在探測距離也小于光波長的條件下通過掃描樣品光點(diǎn)強(qiáng)度，來實(shí)現(xiàn)超衍射極限分辨。在1972年
5、，E.AAsh和G.Nichofs采用3cm微波利用近場成像原理在實(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)。近場光學(xué)成像不同于經(jīng)典光學(xué)，它所涉及的是一個波長范圍內(nèi)的光學(xué)理論和現(xiàn)象。所謂的“近場”區(qū)域內(nèi)包含：(l)輻射場:是可向外傳輸?shù)膱龀煞?(2)非輻射場:是被限制在樣品表面并且在遠(yuǎn)處迅速衰減的場成分。由于近場波體現(xiàn)了光在傳播時遇到空間光學(xué)性質(zhì)不連續(xù)情況下的瞬態(tài)變化，所以可以通過探測樣品的隱失場來探測樣品的亞波長結(jié)構(gòu)和光學(xué)信息。如圖所
6、示的近場光學(xué)探測原理:將一個亞波長尺寸的光源(如一個納米小孔)，放置在樣品的近場區(qū)域(距離遠(yuǎn)小于波長)，樣品被照明的區(qū)域僅由光源或小孔的尺寸決定而與光源波長無關(guān)，這樣探測光強(qiáng)信號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。一般近場光學(xué)成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分為:小孔徑掃描近場光學(xué)顯微鏡(A一SNOM)、無孔徑尖散射掃描近場光學(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.近場光學(xué)理論分析方法近場光學(xué)顯微鏡成像結(jié)果的解
7、釋是一個非常復(fù)雜的問題，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光學(xué)顯微鏡成像過程，從而能分析近場成像。4.1時域有限差分法(FDTD)時域有限差分(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域場旋度方程中的微分式，得到關(guān)于電磁場分量的有限差分式，用具有相同電磁參量的空間網(wǎng)格去模擬被研究體，選取合適的場初始值和計(jì)算空間的邊界條件，可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數(shù)值解。Yee氏網(wǎng)格中每個坐標(biāo)軸方向上場分量間相距半個網(wǎng)格空
8、間步長，因而同一種場分量之間相隔正好為一個空間步長。在無源區(qū)域，可把Maxwell方程的兩個旋度方程表示為如下的形式:(4.1)(4.2)磁場各分量的差分方程可由方程的對稱性得出。算法的特點(diǎn)是:任一網(wǎng)格點(diǎn)上
