纳米光学之近场光学1

1、纳米光学及纳米光学及应用应用Nano-Optics and ApplicationsNanophotonics 近场光学近场光学1 Near-Field Optics本讲内容本讲内容 什么是近场光学什么是近场光学 为什么要用近场为什么要用近场光学光学衍射衍射极限极限 近场光学基本原理近场光学基本原理近场光（表面波）近场光（表面波）近场光学及近场光学显微镜概念近场光学及近场光学显微镜概念1、近场光学：、近场光学： 研究距离物体表面一个波长以内光学现研究距离物体表面一个波长以内光学现象的学科。象的学科。2 2、近场光学显微镜：、近场光学显微镜： 用来观测微观尺度光学现象的新观测工用来观测微观尺度光

2、学现象的新观测工具。具。 不用光学透镜成像不用光学透镜成像, 而用探针的针尖在而用探针的针尖在样品表面上方扫描获得样品表面的信息。样品表面上方扫描获得样品表面的信息。隐失场，隐失波，隐失场，隐失波，倏逝波二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学 传统光学显微镜照片二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学传统光学显微镜分辨本领传统光学显微镜分辨本领sin 相对光强曲线相对光强曲线I / I0艾里斑艾里斑主极大主极大第一极小第一极小 传统光学传统光学显微镜显微镜光学透光学透镜组成镜组成 光学衍射光学衍射极限极限 艾里斑艾里斑 光源光源聚光镜聚光镜样品台样品台显微镜筒显微镜筒肉眼肉眼二二、为什么

3、要用近场光学为什么要用近场光学二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学传统光学分辨率极限传统光学分辨率极限提高传统光学显微镜分辨率的途径提高传统光学显微镜分辨率的途径 1）选择更短的波长）选择更短的波长 uv 电磁辐射、x 射线、或电子束 2）提高）提高n, 用折射率很高的材料工作用折射率很高的材料工作 浸油显微镜 0200.61y n sin二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学提高显微镜分辨率的历史概貌提高显微镜分辨率的历史概貌0.11101001000传统光学显微镜传统光学显微镜电子显微镜电子显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜场离子显微镜场

4、离子显微镜近场光学显微镜近场光学显微镜1800 1850 190019502000分辨率分辨率/nm/nm年年二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学12电子显微镜电子显微镜 1938 (分辨率分辨率0.1纳米）纳米） electron microscopy, SEM二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学场离子显微镜场离子显微镜分辨率分辨率0.1纳米）纳米） Field ion microscopy (FIM)二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学14扫描穿隧式扫描穿隧式显微镜显微镜1982scanning tunneling microscopy,STM二二、为什么要用近场光学为什

5、么要用近场光学原子力原子力显微镜显微镜1985atomic force microscopy, AFM二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学磁力磁力显微镜显微镜1987magnetic force microscopy,MFM二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学17扫描近场光学显微镜扫描近场光学显微镜1986scanning near-field optical microscopy,SNOM二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学长期以来，光学显微镜的成像效果被认为受到光的波长限制，长期以来，光学显微镜的成像效果被认为受到光的波长限制，无法突破无法突破0.20.2微米、即光波长二

6、分之一的分辨率极限。这微米、即光波长二分之一的分辨率极限。这3 3位科位科学家则以创新手段学家则以创新手段“绕过绕过”这一极限，通过激光束激活荧光分这一极限，通过激光束激活荧光分子，在荧光分子发光的时候通过特别手段消除或过滤掉多余荧子，在荧光分子发光的时候通过特别手段消除或过滤掉多余荧光，从而获得比光，从而获得比“极限极限”更精确的成像。更精确的成像。二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学回到近场光学回到近场光学二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学二二、为什么

7、要用近场光学为什么要用近场光学二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学二二、为什么要用近场光学为什么要用近场光学三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理 回顾傅里叶光学基本内容 隐失场三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理Basic concept of Fourier Optics 傅立叶光学的基本思想傅立叶光学的基本思想 单色波入射，空间频率信息会被特定方向的衍射波输送出单色波入射，空间频率信息会被特定方向的衍射波输送出来，衍射波在近场彼此交织，到了远场它们分开，从而达来，衍射波在近场彼此交织，到了远场它们分开，从而达到分频的目的到分频的目的. 远场分频装置是透镜，衍射斑和图象的空间频

8、率一一对应，远场分频装置是透镜，衍射斑和图象的空间频率一一对应，焦面就图象的傅立叶频谱面现代光学对夫琅禾费衍射焦面就图象的傅立叶频谱面现代光学对夫琅禾费衍射的新认识。的新认识。yxyxF衍射屏衍射屏光学图象光学图象透镜透镜频谱分析器频谱分析器夫琅禾费衍射场夫琅禾费衍射场傅立叶频谱面傅立叶频谱面三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理频频谱谱面面物物面面频频谱谱面面高频信息高频信息物物面面 成像光学仪器就是一个低通滤波器。物平面包含从低频到高频成像光学仪器就是一个低通滤波器。物平面包含从低频到高频的信息的信息,透镜口径限制了高频信息通过透镜口径限制了高频信息通过,只许一定的低频通过只许一定的低频

9、通过, 丢失了高频信息的光束再合成丢失了高频信息的光束再合成,图象的细节变模糊。图象的细节变模糊。入射光经物平面发生夫琅和费衍射，在频谱面上形成一系列衍射入射光经物平面发生夫琅和费衍射，在频谱面上形成一系列衍射光斑光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加，形成像。各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加，形成像。FABCBAC三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理采用傅里叶光学平面波展开法，原点（采用傅里叶光学平面波展开法，原点（x,y,0 x,y,0）得到的角谱）得到的角谱 (2)(2) （3 3）0( , )( , ,0)exp2 ()A u vE x yiuxvy dxdyE(x

10、,y,0)y物场物场像场像场xyxzE(x,y,z)02(,)( , ,0)exp()AE x yixy dxdy 傅里叶光学角谱方法傅里叶光学角谱方法三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理 由由E(xE(x，y y，z z ）处的光场）处的光场 （4） （5）2202(, )(,)exp(1) AzAiz 2( , , )(, )exp()E x y zAzixy dd 三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理隐失场理论隐失场理论1、隐失场的特征隐失场的特征隐失波隐失波 (evanescent wave(evanescent wave，衰逝波，衰逝波, , 迅消波、倏逝迅消波、倏逝波等波等

11、) ) 尺寸小于波长的信息，包含在隐失场中。尺寸小于波长的信息，包含在隐失场中。 隐失场离开物体表面在空间急剧衰减。隐失场离开物体表面在空间急剧衰减。 隐失场是非辐射场或非传播场。隐失场是非辐射场或非传播场。 四百年前，牛顿所做的棱镜全反射就显现倏逝波现象。三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理隐失场的特征隐失场的特征开口直径开口直径微小开口产生的隐失场微小开口产生的隐失场三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理隐失场的隐失场的近场探测原理近场探测原理 1 1）近场探测的基本原理）近场探测的基本原理 ： 将隐失场中的携带有物体表面精细结将隐失场中的携带

12、有物体表面精细结构信息，尽量不失真的带到位于远处的探构信息，尽量不失真的带到位于远处的探测成像装置中，再转变成人眼所能够观察测成像装置中，再转变成人眼所能够观察的图像信号。的图像信号。 三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理隐失场的隐失场的近场探测原理近场探测原理 2 2）两个光学窗口的探测问题）两个光学窗口的探测问题A. 远场探测E (x, 0)的角谱为：Z处角谱为z处的光波场 （7）2L2dxzz=Zz=002( )( ,0)exp()A uE xiux dx202( , )( )exp(1) A u zA uiuz2022( , )( )expexp(1) E x zduA uiuxi

13、uz三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理 紧贴屏后的电磁场紧贴屏后的电磁场E El l(x,z=0)(x,z=0) 为为: : 矩形函数为矩形函数为 的的傅里叶变换式为傅里叶变换式为 带入带入 （7 7） （8 8）10( ,0)( ,0) ( ,)( ,)E xE xC x d L d LC x d L d L 1, ( , )0, axaC xa axaxa 或1( ,0)E x00( )4cos()sin()/A uEuduLu2022( , )4cos()sin()/ expexp(1) E x zdu EuduL uiuxiu Z2L2dxzz=Zz=0隐失场的近场探测原理隐失场

14、的近场探测原理三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理B.近场探测近场探测 z=处的光场处的光场透过透过屏后的电场为屏后的电场为 此时在此时在z=Z处探测到的光场为处探测到的光场为 （9） 22022( , )( )expexp(1) E xduA uiuxiu2L2dxzz=Zz=02lz=32( ,)( , ) ( , )E x zExC xl l2220022( ,)expexp(1)()224cos(sin / )exp(1 ) sin() /()exp() E x zZduiuxiuZdu Eudu L uiuu u lu uiu u x隐失场的近场探测原理隐失场的近场探测原理三、近

15、场光学基本原理三、近场光学基本原理根据（根据（8）和（）和（9）绘制角谱图）绘制角谱图 狭缝狭缝(nm)，波长，波长500nm的角谱图的角谱图1.0 1.0 1.0 (a) (b) (c)=/50z=0z=Z隐失场的近场探测原理隐失场的近场探测原理三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理 改变狭缝的宽度，考察探测成像的效果改变狭缝的宽度，考察探测成像的效果III 2160lnm2120lnm 280lnm隐失场的近场探测原理隐失场的近场探测原理三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理 改变单狭缝与双窗口间距，考察探测效果改变单狭缝与双窗口间距，考察探测效果 =70nm =30nm =10nm III隐失场的近场探测原理隐失场的近场探测原理三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理 探头准确地放在探头准确地放在物体表面纳米尺物体表面纳米尺度而又不碰撞度而又不碰撞 采用逐点成像的采用逐点成像的方法：方法： 1）将纳米尺度的光信号收集）将纳米尺度的光信号收集, 将其转变为电流；将其转变为电流；再将其传播到探测系统。再将其传播到探测系统。2）再将逐点采集的信息扫描成为二维图像。）再将逐点采集的信息扫描成为二维图像。三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理 (1)(1)具有突变边缘的物体具有突变边缘的物体, , 无论它被传播波照明还