纳米光学之近场光学1课件

纳米光学及应用

Nano-OpticsandApplications

Nanophotonics近场光学1Near-FieldOptics本讲内容什么是近场光学为什么要用近场光学——衍射极限近场光学基本原理一、什么是近场光学近场光（表面波）近场：从物体表面到一个波长以内的距离。远场：从近场以外一直延伸到无穷远的区域。近场光学及近场光学显微镜概念1、近场光学：研究距离物体表面一个波长以内光学现象的学科。2、近场光学显微镜：

用来观测微观尺度光学现象的新观测工具。不用光学透镜成像,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。一、什么是近场光学一、什么是近场光学隐失场，隐失波，倏逝波二、为什么要用近场光学

传统光学显微镜照片二、为什么要用近场光学

传统光学显微镜分辨本领sin相对光强曲线I/I0艾里斑主极大第一极小传统光学显微镜－光学透镜组成光学衍射极限

－艾里斑

光源聚光镜样品台显微镜筒肉眼二、为什么要用近场光学

二、为什么要用近场光学

二、为什么要用近场光学

传统光学分辨率极限提高传统光学显微镜分辨率的途径

1）选择更短的波长

uv电磁辐射、x射线、或电子束

2）提高n,用折射率很高的材料工作浸油显微镜

二、为什么要用近场光学

提高显微镜分辨率的历史概貌0.11101001000传统光学显微镜电子显微镜扫描隧道显微镜场离子显微镜近场光学显微镜18001850190019502000分辨率/nm年二、为什么要用近场光学

12电子显微镜1938(分辨率0.1纳米）

electronmicroscopy,

SEM二、为什么要用近场光学

场离子显微镜分辨率0.1纳米）

Fieldionmicroscopy(FIM)二、为什么要用近场光学

14扫描穿隧式显微镜1982

scanningtunnelingmicroscopy,STM二、为什么要用近场光学

原子力显微镜1985

atomicforcemicroscopy,AFM二、为什么要用近场光学

磁力显微镜1987

magneticforcemicroscopy,MFM二、为什么要用近场光学

17扫描近场光学显微镜1986

scanningnear-fieldopticalmicroscopy,SNOM二、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，无法突破0.2微米、即光波长二分之一的分辨率极限。这3位科学家则以创新手段“绕过”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光，从而获得比“极限”更精确的成像。二、为什么要用近场光学

回到近场光学二、为什么要用近场光学

二、为什么要用近场光学

二、为什么要用近场光学

二、为什么要用近场光学

二、为什么要用近场光学

二、为什么要用近场光学

二、为什么要用近场光学

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

BasicconceptofFourierOptics

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.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的新认识。yxy’x’F衍射屏光学图象透镜频谱分析器夫琅禾费衍射场傅立叶频谱面三、近场光学基本原理

频谱面物面频谱面高频信息物面

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的信息,透镜口径限制了高频信息通过,只许一定的低频通过,丢失了高频信息的光束再合成,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。FABCB’A’C’三、近场光学基本原理

采用傅里叶光学平面波展开法，原点（x,y,0）得到的角谱

(2)

（3）E(x,y,0)y物场像场xyxzE(x,y,z)傅里叶光学角谱方法三、近场光学基本原理

由E(x，y，z

）处的光场

（4）

（5）三、近场光学基本原理

隐失场理论

1、隐失场的特征隐失波

(evanescentwave，衰逝波,迅消波、倏逝波等)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

隐失场的特征开口直径微小开口产生的隐失场三、近场光学基本原理

隐失场的近场探测原理1）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的图像信号。

三、近场光学基本原理

隐失场的近场探测原理2）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=0三、近场光学基本原理

紧贴屏后的电磁场El(x,z=0)

为:矩形函数为的傅里叶变换式为

带入（7）

（8）2L2dxzz=Zz=0隐失场的近场探测原理三、近场光学基本原理

B.近场探测

z=ε处的光场透过ε屏后的电场为

此时在z=Z处探测到的光场为（9）

2L2dxzz=Zz=02lz=ε隐失场的近场探测原理三、近场光学基本原理

根据（8）和（9）绘制角谱图狭缝(nm)，波长500nm的角谱图1.01.01.0(a)(b)(c)ε=λ/50z=0z=Z>λ隐失场的近场探测原理三、近场光学基本原理

改变狭缝的宽度，考察探测成像的效果III

隐失场的近场探测原理三、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ε=70nmε=30nmε=10nm

III隐失场的近场探测原理三、近场光学基本原理

探头准确地放在物体表面纳米尺度而又不碰撞采用逐点成像的方法：

1）将纳米尺度的光信号收集,将其转变为电流；再将其传播到探测系统。2