超近場光學掃描顯微鏡的研究

1、超近場光學掃描顯微鏡的研究福建師大物光學院 2004級光學研究生 劉 璟 學號：2004468摘要:近場光學掃描技術是近年興起的高新技術之一。超近場光學掃描尚未見報導。本文討論超近場光學掃描顯微鏡的工作原理及其超分辨理論。關鍵詞:超近場光學掃描;高分辨顯微鏡;光學超分辨技術0.引言近場光學掃描(NFOS)技術是近年來才興起的高新技術之一。目前,NFOS顯微鏡的分辨率已超過20nm,接近價格昂貴的掃描電子顯微鏡的分辨率。這種低成本高分辨顯微鏡一出現就吸引了大批科技人員,并越來越成為人們關注的焦點。隨著對納米材料研究的深入,人們期待著能達到一個納米的超高分辨顯微鏡能盡早問世。本文在超近場光學掃描(

2、UNFOS)顯微鏡的工作原理及其超分辨理論方面做了一些有益的探索。1.UNFOS顯微鏡的工作原理如圖1所示,是發(fā)光型UNFOS顯微鏡的工作原理圖,它是在文獻6的基礎上改進而成的。該顯微鏡中最重要的部分之一是錐形探針,它可采用1997年3月由W.noell等1提出的機械切削技術進行加工。之后,在其尖端磨制出直徑小于10nm 的光滑通光小孔, 作為納米光源照射樣品,并讓其與樣品、物鏡密接。樣品在xy 方向上的掃描是通過樣品的移動來實現的。樣品裝在一個水平方向移動的基座上。樣品的位置則由一個四象限探測器測待。同步記錄樣品在水平方向上的位置和光纖傳感器中收集到的掃描圖象即可獲得樣品的全景圖。UNFOS

3、顯微鏡工作時,從激光器發(fā)出的光束經濾波準直后會聚到探針上,當光波從針孔透過樣品后,由一顯微物鏡收集并成象于光纖一端。在另一端,用光電倍增管接收從光纖傳來的信號。該信號放大后,送入xy 記錄儀記錄樣品的全景圖,或送入計算機中對圖象進行存儲和處理。用上述方法獲得的是樣品的超近場光學掃描圖象, 它的分辨率只取決針孔的大小,而不受經典衍射的限制, 當針孔很小時, 可獲得很高的分辨率。2.超近光場的特性2.1超近光場的無壓縮效應特性設有一束高斯光束沿z方向傳播并與xy平面垂直。如果xy平面上有一納米光源,所謂超近光場,就是z 0 處的光場。圖1.UNFOS顯微鏡的工作原理設一高斯光束從(x ,y ,0)

4、平面下方垂直入射,在光經錐形小孔和樣品后形成的近光學衍射場內,光頻和波長應滿足:v=c (1)其中,v為光頻,為波長,c為真空中的光速。對式(1)兩端微分, 便有= -v./v (2)其中, v和分別為衍射孔可分辨的頻率間隔和波長間隔。由衍射光柵的分辨本領R =/= N k ,衍射小孔可認為是N =1的光柵,可得:R =-v/v=k (3)所以,衍射孔可分辨的最小頻率間隔為v=v/k=c/kv (4)衍射孔兩邊緣光波在衍射角為方向上某考察點的總光程差為=dsin (5)其中,d為衍射孔直徑。式(5)表明,衍射孔的分辨率恰是兩邊緣光波光程差對于波長的倍數。由此可見, 兩邊緣光波在考察點飛行的時間

5、差為T=/C=K/C (6)所以有V·T= 1 (7)由式(7) 知,在衍射光場里存在普通的測不準關系, 即在近場光場里存在著壓縮效應。對于超近光場,不論考察點在平面(x ,y ,0)何處,均有S0,由式(7)可得V·T0 (8)由式(8)可知,超近場光場具有無壓縮效應特性。2.2超近光場能量分布特性設半徑為b 的納米光源、顯微鏡樣品與焦距為f 的透鏡密接且共軸地位于入射平面(x ,y ,0),(如圖1所示)并設一束高斯光束從該平面下方垂直入射,且入射高斯光束的束腰面與入射面重合,則透鏡軸上的高斯光場分布為5U (0,0,z)=B ×A (z )ei(z ) (9

6、)其中, 實常數B 、實變量振幅因子A與位相因子分別為，z0為高斯光束的共焦參數。當z0時,則有將式(13)(16)代入式(9),可得到由式(17)可看出, 在入射高斯光束束腰面與透鏡主軸交點處, 即樣品所在平面處, 速逝波幾乎集中了入射光束的全部能量, 速逝波起主導作用, 而衍射波的衍射效應被湮滅。3UNFDS 顯微鏡的超分辨原理根據“近場光學”的新理論2,在z的近場區(qū)域內,光的傳播和衍射出現了一些全新的現象,惠更斯菲涅耳原理不再適用3。在近場情況下,除了存在經典的衍射波外,還存在附著在小孔附近的速逝波,它們的計算公式4分別為：式中,k為自由空間的波數。當z0時,式(18)及(19)均為式(

7、20)再次證明了在(x ,y ,0)平面處速逝波起主導作用。圖2給出了b=0.2時, 在不同空間衍射波、速逝波及總光場隨橫向位置x的變化情況。由圖2可看出:圖2.超近場及近場光場分布(1)衍射波可在自由空間傳播,而速逝波為衰減波,它只存在于狹縫附近, 當z >時,速逝波實際上已衰減為零。(2)無論狹縫多么窄,衍射波的半寬度都不可能小于。但在近場區(qū)域內, 速逝波的半寬度約為狹縫的寬度,并隨狹縫寬度的減小而減小。(3)在超近場區(qū)域內,衍射波與速逝波疊加的結果與速逝波具有同樣的特性,而且比近場區(qū)內更為明顯和理想。因此,只要我們把針孔做得足夠小,且讓樣品與針孔密接時,就能得到最佳的超高分辨效果。參考文獻:1 NoellW et al. Appl phys. Lett 1997,(70):1236.2 PaeslerM A andMoyer P J.Near- ficld Optics Wiley New York, 1996.3 Depasse F et al. Opt. Lett, 1995,(20):234.4 KowarzM