近場(chǎng)光學(xué)儀器的發(fā)展及應(yīng)用

PAGEPAGE1近場(chǎng)光學(xué)儀器的發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)介近場(chǎng)光學(xué)是一種高空間分辨率的光學(xué)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)普通光學(xué)不可能實(shí)現(xiàn)的微觀結(jié)構(gòu)和薄膜的表征，也能夠加工納米尺度光學(xué)器件。近年來，隨著科技的發(fā)展和研究人員對(duì)小尺寸物體的興趣，近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。本文將介紹近場(chǎng)光學(xué)儀器的發(fā)展歷程、技術(shù)原理以及在生物醫(yī)學(xué)、信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用情況。近場(chǎng)光學(xué)儀器的發(fā)展歷程20世紀(jì)80年代初，近場(chǎng)光學(xué)發(fā)展處于萌芽階段。1981年，Ash和Nicholas提出了首個(gè)接近光學(xué)分辨極限的方法——近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（NSOM），并將其用于材料的表征和光刻加工。隨后，隨著光透鏡技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了NSOM的兩類變體，即光纖探針近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和光刻近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。1995年，YSPark等人首次在納米級(jí)別上制造出光學(xué)波導(dǎo)。2005年，HaoZhang等人成功地制造出了具有亞10nm特征尺寸的銀納米點(diǎn)陣列，揭示了近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)在光學(xué)信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的潛力。至今，近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了多種近場(chǎng)光學(xué)儀器，如掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）、近場(chǎng)光學(xué)熱像儀、傅里葉變換近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（FTNSOM）等。近場(chǎng)光學(xué)儀器的技術(shù)原理與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡采用遠(yuǎn)場(chǎng)成像不同，NSOM等近場(chǎng)光學(xué)儀器采用的是近場(chǎng)成像原理。近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)通過將探針放置在樣品表面的亞波長區(qū)域內(nèi)，使光線與探針發(fā)生相互作用，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率成像和控制目標(biāo)區(qū)域的加工。NSOM中，采用銀纖維探針或者光纖探針，在探針的啟動(dòng)區(qū)域與樣品相接觸，在探針的尖端形成極小的光學(xué)探頭。通過控制探針與樣品的相對(duì)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)樣品的成像和加工。掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）中，控制探針與樣品的相對(duì)位置，通過測(cè)量探針不同位置處的反射信號(hào)，獲得樣品的反射率、折射率等性質(zhì)的信息。近場(chǎng)光學(xué)熱像儀中，使用紅外輻射探測(cè)器檢測(cè)樣品輻射的紅外信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)樣品表面溫度分布的確定。傅里葉變換近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（FTNSOM）中，通過傅里葉變換對(duì)樣品表面的近場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行反演，獲得樣品表面的特征尺寸、物理性質(zhì)等信息。近場(chǎng)光學(xué)儀器的應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。NSOM等近場(chǎng)光學(xué)儀器可以對(duì)生物樣品進(jìn)行高空間分辨率的圖像成像，探測(cè)生物分子或者生物組織的形狀、構(gòu)象和分布情況。因此，該技術(shù)被廣泛地用于生物成像和生物分子的表征、功能研究和藥物篩選等方面。另外，近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)還可以被應(yīng)用于生物芯片構(gòu)建、分子診斷等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)本中物體的定位和形態(tài)研究。信息存儲(chǔ)近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是通過光學(xué)信息的近場(chǎng)加工來實(shí)現(xiàn)。銀納米點(diǎn)陣列可以通過利用近場(chǎng)光學(xué)聚焦的能量和凝聚性穩(wěn)定性等特性，獲得納米尺度的光學(xué)信息的加工。這種納米級(jí)別的信息加工比傳統(tǒng)微影技術(shù)具有更高的分辨率，更高的處理速度和更低的制造成本。因此，近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)的主流之一。其他領(lǐng)域除了在生物醫(yī)學(xué)和信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用外，近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)還可以在材料科學(xué)、光學(xué)器件和半導(dǎo)體微加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，人們可以利用SNOM等近場(chǎng)光學(xué)儀器來進(jìn)行半導(dǎo)體晶體缺陷和結(jié)構(gòu)的研究等。結(jié)論近年來，隨著近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)在理論和實(shí)驗(yàn)研究中的取得突破，近場(chǎng)光學(xué)儀器的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。在生物醫(yī)學(xué)、信息存儲(chǔ)、材料和器件等領(lǐng)域，