扫描近场光学显微镜

扫描近场光学显微镜汇报人：主要内容1.概述2.SNOM的发展历史3.基本原理及相关技术4.应用前景

扫描近场光学显微镜（SNOM——ScanningNear-fieldOpticalMicroscopy）是依据近场探测原理发展起来的一种光学扫描探针显微（SPM）技术。其分辩率突破光学衍射极限，达到10~200nm。在技术应用上，SNOM为单分子探测，生物结构、纳米微结构的研究，半导体缺陷分析及量子结构研究等多个领域提供了一种有力的工具；在物理上，它将量子光学、波导光学、介关物理等多个学科联系在一起，并由此开辟了一个新的光学研究领域——近场光学（Near-fieldOptics）。概述SNOM的发展历史

及国内外的研究现状1928年，E.H.Synge提出“近场探测原理”1972年，E.A.Ash等人在微波波段(λ=3cm)实现了λ/60(0.5mm)的分辨率1981年，IBM的G.Binnig发明了STM1982年，D.W.Plhl实现了SNOM分辨率为25nm90年代后，Bell实验室的E.Betzig解决了镀Al膜的光纤超微探针制备和针尖－样品间距控制这两个难题目前，在我国较有影响的国外产品有：美国ThermoMicroscopes，Inc公司的SNOM，德国OMICRONVakuunphysikGmbH公司的Twin-SNOM等。国内已有清华大学、北京大学、大连理工大学以及上海光学仪器研究所等多家研究小组在开发或研制扫描近场光学显微镜，研制光纤探针的小组更多。SNOM的原理常规的光学方法：探测元件（如镜头）则位于远远大于波长的远场中，由于衍射效应，只能获得由传播场携带的大于波长一半的结构信息。近场光学显微镜：光学探针尖端的孔径远小于光的波长。当把这样的亚波长光孔放置在近场区域时，可以探测到丰富的亚微米光学信息。隐失波及隐失场在近场中，一方面它包括可以向远处传播的分量，又包括了仅仅限于物体表面一个波长以内的成分。它的特征是“依附”于物体表面，强度随离开表面的距离增加而迅速衰减，不能在自由空间存在，因而被称为隐失波。它的特点是沿x-y方向传播，而沿z方向迅速消失，并且以光的频率振荡。由隐失波构成的场称为隐失场或者非传播场。当一个亚波长的微小光源，在一物体的近场范围内照射物体时，照射光斑的面积只和孔径大小有关，而与波长无关。这样，在反射光或透射光中，将携带物体亚波长尺寸结构的信息，通过采集样品各“点”的信号光，即可得到分辨率小于半波长的样品的近场图象。有关SNOM的几个技术问题光学“探针”的制作

Tip-Sample间距的控制不同的SNOM模式SNOM系统总体结构光学探针A样品台B探针扫描控制C（包括T－S间距控制）光输入系统D信号采集处理系统E光学探针光学探针是SNOM中的一个关键元件，它的质量决定了SNOM系统图象的分辨率和信噪比（这里所谓的“探针”指具有亚波长尺度的微小光源或信号接收器）。一般讲，用于SNOM中的探针要求“小而亮”。探针尖端孔径越小，SNOM的分辨率越高；但另一方面，信号光又必须足够强，才能有足够的信噪比。

锥形光纤微探针

其中，为了防止光信号泄漏，在连接部针尖外围镀有几十纳米层的金属膜。将激光传导到10－100nm微区，在样品激发的信号被光学镜头接受、记录。当探针做二维扫描时同时得到样品形貌和近场光分布。探针和样品间距保持在10－50纳米的近场范围。

Tip－Sample间距的控制主要有三种方法：等高模式（Constantaltitudemode）等光强模式（Constantintensitymode）剪切力控制模式（Shear-forcecontrolmode)等高模式针尖在一个固定水平高度上扫描，光信号强度的起伏反映了表面形貌的起伏，这种模式适用于表面极为平整的样品，目前较少采用。等光强模式针尖按照设定的光强值，随表面光强的起伏而上下起伏，反馈信号反映了表面光强的变化。由于在近场范围中，光强与间距的关系并不是单调变化的，因此反馈信号的起伏并不严格反映表面的形貌。剪切力模式由于针尖与样品之间存在一些长程力（如粘滞力等），并存在一个共振频率f(d),当探针在按等光强模式扫描的同时，沿一水平方向以这一共振频率作微小振荡，针尖在这一方向上的振动将受到阻碍而容易被观测到。这样，针尖可以按照固定的T－S间距上下起伏。不同的SNOM模式第一类为孔径型扫描近场光学显微镜(ApetureSNOM)，采用亚波长的小孔（或针尖）作微光源或微探测器，而且激发光与被探测的信号光的方向是平行的。第二类是光子扫描隧道显微镜（PSTOM又称STOM）,激发光斜射入样品，通过全内反射在样品表面形成消逝场，置于消逝场的光探针实际是一个散射中心，它将非辐射场通过转换成传输波而被探测。

接收模式照射模式光子隧道模式反射模式应用前景1.单分子观测2.细胞和细胞器精细结构3.高密度信息存储单分子观测利用SNOM，E.betzig小组已在室温下成功地观察到固化在PMMA有机膜中的哑铃形碳花青染料分子及其取向。细胞和细胞器的精细结构94年，美国太平洋西北实验室的谢晓亮等人利用SNOM技术，发现叶绿素系统中的一些独立蛋白合成物在thylakoid膜上分布情况。Thylakoid膜是植物发生光合作用的地方，蛋白合成物嵌在膜中，吸收阳光并通过一系列的反应转化为植物自己的能量。它们在膜上的分布情况有助于了解不同合成物之间能量的处理机制，从而在分子水平上研究光合作用中包含的化学反应，包括电子转移、质子转移、能量转移以及蛋白质构型变化。高密度信息存储

目前使用的光盘采用的是远场技术，读写斑的尺寸被衍射极限控制在1mm左右，存储密度约为50MB/cm2。若采用近场技术使读写斑的尺寸减小到20nm，则密度可提高到125GB/cm2。按此密度计算，一张30cm光盘的总容量可达1014bit，相当于美国国会100年档案信息量的总和，接近人脑的总存储能力(1015bit)。参考文献邓江东，扫描近场光学显微镜原理及其应用，激光与电子学进展，1997年第2期朱星，近场光学显微镜，现代科学仪