近场光学显微技术原理及应用

扫描近场光学显微技术

原理及应用

(ScanningNear-fieldOpticalMicroscopy,SNOM)本章主要内容：

0.传统光学显微镜概述1.近场光学及近场光学显微镜概念2.近场光学理论3.近场光学显微镜基本结构4.近场光学显微镜的应用传统光学显微镜概述传统光学显微镜1、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2、瑞利判据刚可分辨不可分辨如一个物点的衍射光斑的主极大与另一个物点的衍射光斑第一极小恰好重合，便认为两个物点的像刚好能被分辨开。3、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）提高物方n,用折射率很高的材料工作浸油显微镜

3)提高数值孔径NANA>0.7时,称大(高)数值孔径第一节

近场光学及近场光学显微镜概念一、近场的概念近场光（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。二、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新型学科。2、近场光学显微镜：

用来观测近场（微观尺度）光学现象的新型显微工具。不用光学透镜成像,而用近场光学探针的针尖在样品表面上方扫描获得样品表面的信息。1、

近场光学显微镜之演进历史三、近场光学显微镜概述

1928年E.H.Synge第一个提出突破分辨率极限的构想。

1）强光源2）nm量级微调3）nm量级小孔光电池1956年J.A.O’Keefe也提出了一个近场光学扫描显微镜的构想。1973年E.A.Ash&G.Nichols在微波条件下，制作出了突破分辨率极限的显微镜1982年G.Binning&H.Rohrer第一部扫描隧道显微镜（STM）诞生

1984年D.W.Phol等人把近场光学技术与STM技术的結合，制成了第一台近场光学显微镜SNOM(scanningnear-fieldopticalmicroscope)。分辨率达到了1/20波长。三、近场光学显微镜概述2、

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年三、近场光学显微镜概述3、近场光学显微镜的优点：样品不一定必须是导体，也可以是非导体或者溶液；对于样品环境要求不是很高，可以是静态或动态。对样品不造成损害。三、近场光学显微镜概述（a）是美国标准局用原子力显微镜检测直径为100nm聚乙烯材料的像，分辨率为1nm；（b）采用近场光学显微镜观测的影像，分辨率为20nm。三、近场光学显微镜概述第二节近场光学理论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’一、辐射场和隐失场物体电磁波()近场(

)~<远场(>)隐失波辐射场：该分量能够向外传播。（电磁波）隐失场：该分量局限于物体表面且急剧衰减。（隐失波）其性质与物体的表面结构，材料紧密相关（非辐射场）一、辐射场和隐失场

1、精细结构与空间频率空间周期-d(光栅常数)空间频率-

(单位长度内光栅条纹数)频率越高，代表物体或光场的结构越精细。三维情况:空间频率分量(),电磁场的传播波矢k与直角坐标轴的三个交角为()并且(1)一、辐射场和隐失场

2、傅里叶光学角谱方法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)由E(x，y，z

）处的光场

（4）

（5）一、辐射场和隐失场

2、傅里叶光学角谱方法（5）改写，实数

2）光栅周期小于波长（d<λ）（5）改写，实数一、辐射场和隐失场

3、光栅衍射场和精细结构dyx1/v1/u1)光栅周期大于波长（d>λ）

定义沿着光场振幅衰减到1/e的距离为衰减距离Rd，

（6）直角坐标下，辐射场展开可写为：隐失场的表达式：一、辐射场和隐失场

3、光栅衍射场和精细结构二、隐失场理论

1、隐失场的特征隐失波

(evanescentwave，衰逝波，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。开口直径微小开口产生的隐失场二、隐失场理论

1、隐失场的特征二、隐失场理论

1、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。二、隐失场理论

2、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

代入（7）

（8）二、隐失场理论

2、隐失场的近场探测原理2L2dxzz=Zz=0二、隐失场理论

2、隐失场的近场探测原理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根据（8）和（9）绘制角谱图狭缝1nm，波长500nm的角谱图1.01.01.0(a)(b)(c)二、隐失场理论

2、隐失场的近场探测原理ε=λ/50z=0z=Z>λ二、隐失场理论

2、隐失场的近场探测原理改变狭缝的宽度，考察探测成像的效果III二、隐失场理论

2、隐失场的近场探测原理改变单狭缝与双窗口间距，考察探测效果ε=70nmε=30nmε=10nm

III二、隐失场理论

3、隐失场的近场探测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）再将逐点采集的信息扫描成为二维图像。(1)具有突变边缘的物体,无论它被传播波照明还是被隐失波照射,都会产生隐失波；(2)产生的隐失场不服从瑞利判据,它在小于一个波长的距离范围内呈现强烈的局域振荡；(3)根据互易性原理,借助于小的有限物体,可将隐失场转换成新的传播场并传播；三、近场光学基本原理(4)新的传播场能被远处的探测器所探测。(5)隐失场—传播场的转换是线性的:新的传播场如实地再现隐失场局域的剧烈振荡特性。(6)为产生二维图像,我们需用一个小的有限物体(通常采用锥形光纤的针尖)在样品表面上方扫描。三、近场光学基本原理第三节

近场光学显微镜基本结构一、近场光学显微镜的基本结构(a)传统光学显微镜

(b)近场光学显微镜激光XYZ扫描样品台小孔探针显微镜筒光电倍增管光源聚光镜样品台显微镜筒肉眼近场光学显微镜系统的典型结构二、近场光学显微镜的主要部件1、近场光学显微镜的主要部件：光学探针探针至样品间距测控装置光路1）光学探针小孔探针：光纤探针和非光纤探针。光纤探针优点：首先，分辨率有很大提高。目前最好的分辨率12nm其次，通过探针的光流量得到很大的增强。

二、近场光学显微镜的主要部件光纤探针缺点：首先，光纤抗热性能差，不能传输高功率激光;其次，光纤脆性大，极易因与样品碰撞而损坏。金属化的透光探针目前分辨率通常为100nm二、近场光学显微镜的主要部件无孔探针把入射光变为局域光源。因为没有了探针窗口尺寸的限制，分辨率极限可达1nm。二、近场光学显微镜的主要部件2）探针与样品间距的测控：隧穿电流强度测控技术近场光强度测控技术

切变力强度测控技术

接触型测控技术

二、近场光学显微镜的主要部件3）光路光源和照明光路：

采用激光单色光源，并通过光纤输送照射样品

收集光路和光探测器：

高灵敏度而且可以快速采集信号的光电倍增管。二、近场光学显微镜的主要部件几种典型光路：图a,b是透射方式，适用于观察透光性好的样品二、近场光学显微镜的主要部件图c,d反射方式，适用于观察不透明样品二、近场光学显微镜的主要部件几种典型光路：4）近场光学显微镜的配置方式照明模式

(a,b)收集模式

(c,d)照明/收集模式(e)二、近场光学显微镜的主要部件5）近场光学显微镜系统的功能扩展和集成ABDCE二、近场光学显微镜的主要部件第四节

近场光学显微镜的应用一、超分辨成像

（一）样品信息成像AgIBr晶体，范围为7.5μm见方。(a)表面形貌(b)透射SNOM像一、超分辨成像

（一）样品信息成像一、超分辨成像

（二）单分子成像（利用AFM功能）一、超分辨成像

(三）观测微小的光场图像二、在生物分子研究中的应用对细胞和细胞精细结构的观察：SNOM检测小鼠的肺脏和肝脏切面TransmissionSNOMimageShearforceimage纤维原细胞三、在信息存储中的应用高密度信息存储CD由于受衍射极限的限制，读写斑的尺寸被控制在lum左右；存储密度约55Mb/cm2

采用近场技术，读写斑的尺寸可以减小到20nm，存储密度约为125Gb/cm2。三、在信息存储中的应用TheNSOMwasusedtocreatestructuresonaphotoresistsample.Thesmallestlinewrittenwas60nmwide.Naber,A.,H.Kock,etal.(1996).High-ResolutionLithographywithNear-FieldOpticalMicroscopy.?Scanning18:567-571.

四、高分辨率光刻和三维加工五、近场光谱学近场光谱目前的各类光谱测量方法只限于微米尺度观察。传统的光谱方法无法分辨诸如纳米尺度的发光区域与本征频谱等。而与近场光学显微镜联用的近场光谱则填补了这一空缺。近场光谱，包括紫外-可见光谱，红外光谱，荧光光谱和拉曼光谱等。五、近场光谱学——近场光谱仪

光学探头

近场光学光谱五、近场光谱学——吸收谱量子点样品的吸收谱和荧光发射谱五、近场光谱学——光致发光（荧光）PL谱

两个相邻的单分子荧光光谱150nm五、近场光谱学——瞬态（时间分辨）光谱

荧光寿命拟合曲线符合单次幂函数仪器响应函数Weightedresiduals~2.0ns五、近场光谱学——拉曼光谱

Stockslinesanti-StockeslinesΔν/cm-1Rayleighscattering五、近场光谱学——拉曼光谱Ramanscatterin