近场光学
近场光学
近场光学原理简介所谓近场光学，是相对于远场光学而言。
传统的光学理论，如几何光学、物理光学等，通常只研究远离光源或者远离物体的光场分布，一般统称为远场光学。
远场光学在原理上存在着一个远场衍射极限，限制了利用远场光学原理进行显微和其它光学应用时的最小分辨尺寸和最小标记尺寸。
而近场光学则研究距离光源或物体一个波长范围内的光场分布。
在近场光学研究领域，远场衍射极限被打破，分辨率极限在原理上不再受到任何限制，可以无限地小，从而基于近场光学原理可以提高显微成像与其它光学应用时的光学分辨率。
1. 远场光学的衍射分辨极限远场光学的分辨率受到衍射效应的限制。
1873年，德国科学家阿贝（Abbe ）根据衍射理论首次推导出衍射分辨极限，即能够被光学分辨的两点间的距离总是大于波长的一半。
后来，瑞利（Rayleigh ）将阿贝衍射理论归纳为一个公式：（1-1）这就是人们所熟知的瑞利判据。
该判据表明，当且仅当物体上两点之间的距离d 大于或等于不等式右边所规定的量时，才被看作是分开的两点。
这个量与入射光在真空中的波长l 、物方折射率n 以及显微物镜在物方的半孔径角q 有关。
nsin(q)通常也被称作数值孔径（Numerical Aperture ，N.A.）。
由瑞利判据可知，提高分辨率包括两种方法：其一，尽可能选择短的辐射波长，如利用蓝光、紫外光、x 射线、电子等；其二，提高数值孔径，但若不考虑较少和较难使用的油浸物镜（N.A. = 1.5左右）与固体浸没透镜，数值孔径的最大值不超过1，因此远场光学的分)sin(61.0θλδn ≥辨极限最高只能达到l/2。
2. 近场光学的超衍射极限分辨率当光和物体发生相互作用后，在物体表面（xy 面）形成携带物体信息的光场分布，可以使用该场（即z = 0平面上的场）的复振幅的分布特性来表示样品。
与空间频谱的关系由傅立叶变换确定： （1-2） f x 、f y 分别为沿x 、y 方向的空间频率分量，反比于物体的结构尺寸。
光学远场和近场
光学远场和近场光学是研究光的传播、产生和控制的学科。
在光学中，远场和近场是两个重要的概念。
我们来了解一下光学远场。
光学远场是指光源到接收器之间的距离远大于波长的情况下的光场分布。
在远场中，光的传播可以用几何光学的方法进行描述，即光线的传播遵循直线传播的规律。
这意味着光线在远离光源的地方基本上是平行的，可以用光线的角度来描述光的传播方向。
此外，光线在远场中的传播路径和传播速度与介质的折射率有关。
在光学远场中，我们可以利用几何光学的原理来设计和分析光学系统。
例如，光学远场的成像系统可以通过透镜、反射镜等光学元件将光线聚焦到特定的位置上，实现物体的放大或缩小。
光学远场还可以用于光通信系统中的光纤传输、激光雷达的测距等应用。
接下来，我们转向光学近场。
光学近场是指光源到接收器之间的距离与波长相当或远小于波长的情况下的光场分布。
在近场中，光的传播不能简单地用几何光学的方法来描述，而需要考虑光的波动性。
近场中的光场分布可以用波动光学的方法进行描述，即光的传播需要考虑波动方程的解。
在光学近场中，光的传播路径和传播速度与介质的折射率以及光的波长有关。
此外，近场中的光场分布还受到光源和接收器之间的距离、光源的大小和形状等因素的影响。
近场中的光场分布可以通过数值模拟和实验方法进行研究。
光学近场在纳米光学、超分辨显微镜、光存储等领域有重要应用。
例如，近场光学显微镜可以实现超分辨成像，突破传统光学显微镜的分辨极限。
近场光学还可以用于纳米加工和纳米光子学等领域，实现对纳米结构和纳米材料的探测和操控。
总结起来，光学远场和近场是光学中两个重要的概念。
远场是指光源到接收器之间的距离远大于波长的情况下的光场分布，可以用几何光学的方法进行描述。
近场是指光源到接收器之间距离与波长相当或远小于波长的情况下的光场分布，需要考虑光的波动性。
光学远场和近场在光学系统的设计和分析、光通信、超分辨显微镜等领域有广泛的应用前景。
通过深入研究和理解光学远场和近场，我们能够更好地掌握光的传播规律，推动光学技术的发展和应用。
近场光学
NSOM光纤探针
NSOM的应用实例
高分辨率光学成像 局域光谱
高密度信息储存
生命科学应用及单个分子探测
Thanks
观察的区域
照明光源的尺度和照明方法 成像的原理
分辨率
衍射极限
传统光学显微镜的衍射极限
瑞利判据 ：
1.22 r 2n sin
r
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
规定了两点刚好被分辨的距离
r
NSOM原理
利用探针将非辐射场中的倏逝波转化为传播波
NSOM结构
NSOM光纤探针
传导区—传输信号
微米区—连接部分
纳米区—光针部分
Near-field optical scanning microscopy
武亮 16720118
近场光学显微镜
近场光学的核心问题是探测束缚在物体表面的非辐射场
处于近场区域的非辐射场内包含物体结构的细节信息 由于这个场随着离开表面距离呈指数式衰减
因而在远场，即常规的光学观 察中无法探测到
传统光学显微镜与NSOM的区别
近场光学显微镜的工作原理
近场光学显微镜的工作原理近场光学显微镜（Near-field optical microscope, NSOM）是一种非常重要的显微镜技术，它可以突破传统光学显微镜的分辨率极限，实现纳米尺度下的超高分辨率成像。
它常被用于研究纳米结构材料、生物分子和量子器件等领域，有着广泛的应用前景。
近场光学显微镜的工作原理可以简单地描述为通过置于样品表面附近的微小探针实现的。
这个探针被称为光纤探针或是光纤尖端探针，它具有非常尖锐的末端，并且在末端附近可以发生近场增强效应。
当激光光束从光纤探针传输到样品表面时，近场增强效应使得光场能够显著缩小，并且得到了比传统光学微镜更高的分辨率。
在近场光学显微镜的成像过程中，有两种主要的成像模式，即透射式和反射式。
在透射式近场光学显微镜中，探针位于样品上方，激光在探针的末端聚焦。
样品被置于玻璃基片上，玻璃的透明度可以提高可见光的传播效率。
当激光透过探针聚焦在样品表面上时，通过激发样品表面的等离子体共振效应，可以获得显著增强的光场。
反射式近场光学显微镜与透射式不同，探针位于样品的侧面，激光从侧面照射样品，并通过探针进行观测。
在反射式近场光学显微镜中，探针末端附近的近场增强效应可以显著提高反射信号的强度，并且可以实现更高的分辨率。
这种模式常被用于研究金属纳米结构和光子器件等。
近场光学显微镜的关键在于控制和操纵光纤探针的末端。
一种常用的技术是通过金刚石刀将探针制备成尖锐的形状。
另一种常用的技术是通过电化学腐蚀来制备探针，可以得到更加均匀且尖锐的探针。
利用这些探针，可以实现纳米尺度的分辨率，并观察到一些传统显微镜无法看到的微观结构和现象。
近场光学显微镜的应用非常广泛。
在生物医学方面，它可以用于观察细胞的亚细胞结构和巨分子间的相互作用。
在材料科学领域，它可以用于研究纳米材料的光学性质和表面增强拉曼散射效应。
在半导体行业，近场光学显微镜被广泛应用于碳纳米管和纳米线的研究。
此外，近场光学显微镜还可以用于制备纳米器件和光子学元件等领域。
近场光学计算及其快速算法
近场光学计算及其快速算法近场光学计算是一种利用非传统的计算方法，对能够产生或传递光的物理体进行研究的技术。
它涉及在光学问题中运用电磁学原理，以理解光的传播、干涉、散射和吸收等现象。
随着近年来计算机能力的提高和算法的发展，近场光学计算已经成为光学领域中的一个重要研究方向。
近场光学计算可以用于各种应用领域，包括微观结构表征、纳米光学器件设计、生物医学成像和等离子体光学等。
由于光波的传播特性受到折射、散射和干涉等影响，因此需要进行复杂的计算来描述光波在物体表面或物体之间的传播。
在以往，近场光学计算通常采用传统的时间域积分法（TDFD）和频域积分法（FDFD）等方法进行模拟。
然而，这些方法存在着计算量大、计算时间长等缺点。
为了解决这些问题，近年来研究人员提出了一系列快速算法，如格林函数快速多极子法（GFMM）、快速多极子法（FMM）、快速有限差分法（FDTD）和快速傅里叶变换法（FFT）等。
GFMM是一种基于格林函数的快速算法，它通过将物体分解为多个小单元，利用格林函数的快速计算方法来减少计算量。
这种方法在纳米尺度的光学计算中得到了广泛的应用。
FMM是一种将多极子展开和快速逆傅里叶变换相结合的算法，能够快速计算复杂的散射问题。
FDTD是一种基于有限差分法的算法，通过离散化计算区域和时间步长，可以高效地模拟光波的传播。
FFT是一种将时间域转换为频域的算法，适用于周期性结构或在频域上具有周期性的光学问题。
除了这些快速算法，近年来还出现了其他一些方法用于近场光学计算，如投影分解法、变分法和深度学习等。
这些方法通过引入新的数学模型和计算思想，为近场光学计算提供了更多的选择和可能性。
总的来说，近场光学计算是光学领域中一个重要的研究领域，它通过利用电磁学原理和计算方法来研究光的传播和相互作用。
随着计算机和算法的不断进步，近场光学计算的速度和精度都得到了提高。
未来，随着新的算法和方法的出现，近场光学计算将会有更广泛的应用和发展。
近场光学显微镜在生命科学中的应用
近场光学显微镜在生命科学中的应用随着现代生命科学研究的不断推进，研究者们对生物分子的细节结构和运动动态也有了越来越高的要求。
但是，传统显微镜的分辨率无法满足这种高要求。
此时，近场光学显微镜就应运而生。
它极大地推动了生命科学领域的发展，成为研究生物分子结构与行为的重要工具。
一、近场光学显微镜的原理近场光学显微镜是一种能用来观察高分辨率样品的仪器，它能够消除光学衍射限制，有非常高的分辨率。
其工作原理与传统的显微镜不同，不是利用透镜的几何光学成像原理，而是利用光学的短距离相互作用，从而直接在样品表面对其进行观察。
其结构简单，通常由光源、探针、样品和检测系统四个部分组成。
其中光源产生的光经过探针的尖端照射到样品表面，然后由检测系统采集反射或透射的信号，通过数据分析可得到表面的信息。
二、1. 生物体系的纳米结构观察近场光学显微镜可以观察生物体系的纳米结构，比如纳米晶体、纳米管、细胞膜和生物分子等。
这些领域中，近场光学显微镜的应用已经非常广泛。
例如，经过修饰后的玻璃探头可以成为纳米粘合剂，以将生命分子定位在合适的位置，通过近场光学显微镜可以观察到分子和探针之间的特殊相互作用。
2. 测量生物分子的力学性质近场光学显微镜还可以通过测量生物分子表面的力学性质，如硬度、弹性、摩擦系数等，直接对生命分子进行强行拉伸或压缩等实验，从而直接测量其强度和稳定性。
这种方法可以在很小的压力下进行精细的操作，对测量细胞表面的黏着性、弹性、粘度等方面有着非常重要的作用，也对生物纳米学领域的发展作出了重要的贡献。
3. 生物分子的光学图像对比在高分辨率成像方面，近场光学显微镜可以获取细胞表面的高分辨率图像，并比较不同的样品在相同条件下的光学图像。
这项技术可以有效地检测分子间的微小变化，如蛋白质在细胞膜上的扭曲变化、蛋白质和DNA之间的相互作用等。
这些研究对于深入了解生物分子的功能和结构非常重要。
4. 生命分子动力学研究此外，近场光学显微镜还可以研究生命分子的动力学。
近场光学显微镜原理
近场光学显微镜原理是使用由熔拉或腐蚀光纤波导所制成之探针，在外表镀上金属薄膜已形成末端具有15nm至100nm直径尺寸之光学孔径的近场光学探针，再以可作精密位移与扫描探测之压电陶瓷材料配合原子力显微技术所提供精确的高度回馈控制，将近场光学探针非常精确地控制在被测样品表面上1nm至100nm的高度，进行三维空间可回馈控制的近场扫描，而具有奈米光学孔径之光纤探针即可做接收或发射光学讯息之用，由此获得一真实空间之三维近场光学影像，因其与样品表面距离远小于一般光波波长，测得的信息皆属近场光学作用的信息，无平常常见的远场光学中绕射极限的光学解析度限制。
近场光学实验技术的使用方法与成像优化
近场光学实验技术的使用方法与成像优化近场光学是研究和应用光学现象在纳米尺度下的科学与技术领域。
与传统的远场光学相比，近场光学在成像分辨率和光学探测灵敏度方面有着明显的优势，广泛应用于纳米材料、生物医学、信息存储与通信等领域。
在本文中，将介绍近场光学实验技术的基本原理、常见的使用方法以及如何优化成像效果。
一、近场光学实验技术的基本原理近场光学实验技术是利用探针与样品之间的微观距离，通过局域电磁场的相互作用来实现高分辨成像和光学探测的一种方法。
其基本原理主要包括两个方面：近场效应和探测技术。
1. 近场效应：近场效应是指当光与样品相互作用时，电磁场的强度和分布与样品形状、介电性质等有关。
在近场区域内，光的电磁场具有非均匀性和极化效应，可以实现超分辨成像。
2. 探测技术：实现近场光学成像和探测的关键是选择合适的探测技术。
常见的近场探测技术包括原子力显微镜（AFM）、光纤探针、金属探针等。
这些探测技术可以通过感知局域电磁场的变化来实现高分辨成像和探测。
二、近场光学实验技术的常见使用方法近场光学实验技术的常见使用方法包括近场光学显微镜、近场光学拉曼光谱仪和近场光学操纵等。
1. 近场光学显微镜：近场光学显微镜是近场光学实验技术的常见应用之一。
它可以通过将探测探针置于样品表面附近，实时观察和测量样品表面的形貌和光学性质。
近场光学显微镜具有高分辨率、高灵敏度和非接触测量等优点，适用于纳米材料、生物医学和材料科学等领域的研究。
2. 近场光学拉曼光谱仪：近场光学拉曼光谱是将近场光学技术与拉曼光谱相结合的一种方法。
通过将探测探针置于样品表面附近，可以实现对样品的拉曼光谱分析。
近场光学拉曼光谱仪具有高成像分辨率和高灵敏度的特点，对于研究纳米材料的结构和表面增强拉曼散射效应具有重要意义。
3. 近场光学操纵：近场光学操纵是利用近场光学技术实现对微观物体的操纵和搬运。
通过控制近场光场的强度和分布，可以实现对微观粒子的加速、聚集和操纵。
近场光学显微镜的原理与应用
近场光学显微镜的原理与应用近场光学显微镜是一种利用近场光学原理进行显微观察的仪器。
它的原理是通过将探测器置于样品表面附近，利用样品表面产生的近场光信号来获取高分辨率的显微图像。
近场光学显微镜具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等特点，已广泛应用于生物学、材料科学和纳米技术领域。
近场光学显微镜的原理基于近场光学效应。
传统的光学显微镜的分辨率受到光的衍射极限的限制，无法观察到更小尺寸的细节。
而近场光学显微镜通过将光源与探测器之间的距离缩短到波长的几个或几十个纳米，使得光的衍射极限被打破，从而实现了超分辨率的显微观察。
近场光学显微镜的应用非常广泛。
在生物学领域，它可以用于观察细胞和组织的微观结构，研究细胞的生物过程和病理变化。
通过近场光学显微镜，科学家可以观察到细胞膜的形态变化、蛋白质的分布以及细胞器的运动等细节，为生命科学研究提供了重要的工具。
在材料科学领域，近场光学显微镜可以用于研究材料的表面形貌和物理性质。
传统的光学显微镜无法观察到纳米尺度的表面结构，而近场光学显微镜可以实现纳米级的分辨率。
科学家可以利用近场光学显微镜观察材料的表面形貌、颗粒的分布和材料的光学性质等，为材料科学研究和应用提供了重要的手段。
在纳米技术领域，近场光学显微镜是不可或缺的工具之一。
纳米技术研究和制备的对象通常具有纳米尺度的特征，传统的显微镜无法观察到这些细节。
而近场光学显微镜可以实现纳米级的分辨率，可以观察到纳米颗粒的形态、大小和分布等细节。
这对于纳米材料的研究和纳米器件的制备具有重要意义。
近场光学显微镜的发展离不开技术的进步。
近年来，随着光学器件和探测器的不断改进，近场光学显微镜的分辨率和灵敏度得到了大幅提升。
同时，近场光学显微镜的成本也逐渐降低，使得更多的科研机构和实验室可以采用这一技术进行研究。
总之，近场光学显微镜是一种重要的显微观察工具，具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等特点。
它在生物学、材料科学和纳米技术等领域的应用已经取得了显著的成果，并为相关领域的研究和应用提供了重要的支持。
近场光学1
第八章
近场光学
胡国华 东南大学先进光子学中心
1
第一节：
近场光学及近场光学显微镜 概述
2
一、近场光学及近场光学显微镜概念
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。
3
一、近场光学及近场光学显微镜概念 1、近场光学：
E ( x, z Z ) du exp[i
2 2 ux]exp[i (1 u 2 )(Z )]
du '4 E0 cos u0' d (sin u ' L / u ')exp[i
2 2 (1 u '2 ) ]sin(u u ')l /(u u '))exp[i (u u 2 ) x]
三、近场光学显微镜概述
用近场光学显微镜观察硅表面
22
23
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。24
三、近场光学显微镜概述
电解液中得到的硫酸根离子吸附在 铜单晶(111)表面的图象
一、辐射场和隐失场
E( x, y, z)=A( x, y, z)exp[-i(kx x kx y kz z)]
• 隐失场的表达式 ：
-z E ( x, y, z, t ) A( x, y, z )exp[-i(k x x k x y)]exp( ) Rd
36
二、隐失场理论
1、隐失场的特征
0.610 y n sin
近场光学显微镜的原理及其应用
近场光学显微镜的原理及其应用近场光学显微镜（Near-field Optical Microscope, NSOM）是一种基于光的非接触性成像技术。
它采用了近场光学原理，可以实现对纳米尺度下样品表面的高分辨率成像和操控。
本文将介绍近场光学显微镜的原理以及其在纳米科学研究和生物医学领域的应用。
一、近场光学显微镜的原理近场光学显微镜通过在探针和样品之间形成极小的光学探测区域，利用近场效应获取高分辨率图像。
其原理可以简要归纳为以下几点：1. 近场效应：光波在探针与样品之间经过狭缝或圆形孔径时，会产生出衍射和散射，形成近场光子的光场分布。
近场光子的范围仅限于光源和样品表面之间一个很小的区域，可以实现高分辨率成像。
2. 接近距离探测：近场光学显微镜中的光学探测器与样品之间的距离非常接近，通常为纳米尺度。
通过控制探针与样品的距离，可以实时监测到样品表面的拓扑和特征。
3. 光学信号检测：近场光学显微镜可以检测和记录样品表面传输、反射或荧光等光学信号。
通过分析这些信号，可以获取有关样品表面特性的详细信息。
二、近场光学显微镜的应用近场光学显微镜作为一种高分辨率成像技术，广泛应用于纳米科学研究和生物医学领域。
以下是该技术在这些领域中的主要应用：1. 离子束曝光控制：近场光学显微镜结合离子束曝光技术，可以实现对纳米尺度下材料表面进行精确操控。
通过控制离子束的位置和强度，可以在纳米尺度上刻写出高精度的纹理和图案。
2. 纳米材料研究：近场光学显微镜可以在纳米尺度下观察材料的物理和化学性质。
例如，可以研究纳米颗粒的形态、大小分布以及光学特性，对纳米材料的合成和性能进行表征和优化。
3. 生物分子成像：近场光学显微镜结合荧光标记技术，可以实现对生物分子的高分辨率成像。
通过观察生物分子在细胞或组织中的分布和相互作用，可以深入研究生物分子的功能和机制。
4. 表面等离子体共振成像：近场光学显微镜可以利用表面等离子体共振效应，实现对材料表面等离子体波的激发和探测。
近场光学亥姆霍兹方程
近场光学亥姆霍兹方程近场光学亥姆霍兹方程，这听起来是不是有点复杂？但其实它就像是一道美味的家常菜，只需要点耐心，就能让它变得简单易懂。
想象一下，我们的世界充满了各种光线，这些光线不仅让我们看得清楚，还能传递信息、创造美丽的景象。
亥姆霍兹方程就是研究这些光线的一个重要工具，特别是在近场光学中，简直是无可替代。
说到近场光学，大家可能会想，“这是什么鬼？”它指的是当光的波长和观察对象的大小差不多的时候，这时候光的行为就变得特别有趣了。
光不再像大海里的波浪那样平滑，而是开始展现出复杂的特征。
想象一下在一个小池塘里，水波遇到一块石头时的表现，波动变得生动、混乱，这就是近场光学的魅力所在。
亥姆霍兹方程在这个过程中就像是个老司机，它告诉我们光在这种情况下是怎么传播的。
就像我们开车时需要了解路况，光在近场中的行为也有它的“路况”。
这个方程可以帮助科学家和工程师设计各种光学设备，比如显微镜和激光器。
这些工具就像是超能力的武器，让我们能更清楚地观察微观世界。
再说说这个方程的形态，亥姆霍兹方程通常看起来有点吓人，很多数学符号、偏微分方程什么的。
但实际上，这些符号就像是调味料，只要我们掌握了基本的配比，就能做出美味的菜肴。
方程中的每一个项都有它的意义，就像每个材料在烹饪中都有它的独特作用。
而在实际应用中，近场光学亥姆霍兹方程的结果就像是开盲盒，总有意想不到的惊喜。
科学家们通过解这个方程，能够设计出更加高效的光学设备，甚至在医疗、通信等领域发挥出惊人的作用。
比如说，借助这种技术，医生能在不破坏细胞的情况下观察到病变情况，简直是科技的福音啊！研究近场光学亥姆霍兹方程也并不是一帆风顺。
挑战总是存在，科学家们需要不断调整参数，反复实验。
就像炒菜一样，火候掌握得不好，菜就可能变得焦糊。
但经过不断的尝试，总会有那一刻，成功的味道就像醇厚的汤，令人陶醉。
随着科技的发展，研究的工具和技术也在不断更新换代。
想象一下，从古老的显微镜到今天的超分辨率显微镜，这些都是近场光学的成果。
近场光学显微镜
光学显微镜的分辨率
• 如何克服近场光学显微镜在成像过程中的光学衍射极
限，以实现更高的分辨率
02
提高成像速度和灵敏度
• 如何实现光纤探针的更快扫描速度，以提高近场光学显
微镜的成像速度
• 如何提高近场光学显微镜的检测灵敏度，以实现对微弱
信号的准确检测
03
拓展成像功能和应用领域
• 如何开发新的成像模式和技术，拓展近场光学显微镜的
在生物科学领域，近场光学显微镜有
望实现对生物分子和细胞过程的更深
入、更精细的研究
在材料科学领域，近场
光学显微镜有望实现对
材料性能的更准确、更
快速的评估和优化
在医学领域，近场光学
显微镜有望实现对疾病
发生、发展和治疗的更
早期、更精确的监测和
评估
近场光学显微镜面临的技术挑战
01
提高成像分辨率
• 如何实现光纤探针的更高精度和更小尺寸，以提高近场
分辨率
• 近场光学显微镜的分辨率低于电子显微镜，但高于光学显微镜 -这使
得近场光学显微镜能够在一定程度上观察到电子显微镜所无法观察到的
细微结构
成像方式
• 近场光学显微镜利用光纤探针在样品表面进行扫描，实现对样品表面
形貌和光学性质的成像
• 电子显微镜利用电子束对样品进行成像，可以实现样品的微观观察
应用领域
光信号、拉曼信号等
• 这使得近场光学显微镜在生物科学和材料科学等领域具
有广泛的应用前景
03
独特的成像方式
• 近场光学显微镜利用光纤探针在样品表面进行扫描，实
现对样品表面形貌和光学性质的成像
• 这种成像方式使得近场光学显微镜具有很高的灵活性和
纳米光学之近场光学1
F
C’ A
B
B’
C
A’
三、近场光学基本原理
傅里叶光学角谱方法
物场 y
像场 y
x
E(x,y,z)
x
z
E(x,y,0)
采用傅里叶光学平面波展开法，原点（x,y,0）得到的角谱
A0 (u, v) E(x, y, 0) exp[i2 (ux vy)]dxdy
(2)
A0
(
,
)
E(x, y, 0) exp[i 2 ( x y)]dxdy
二、为什么要用近场光学
磁力显微镜1987 magnetic force microscopy,MFM
二、为什么要用近场光学
扫描近场光学显微镜1986 scanning near-field optical
microscopy,SNOM
17
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、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
Basic concept of Fourier Optics 傅立叶光学的基本思想
近场光学基本原理
• (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；
近场光学的原理及应用
近场光学的原理及应用1. 简介近场光学是在纳米尺度下研究光与物质相互作用的一种技术。
它利用光的近场效应和表面等离子体共振来实现超分辨率成像、光操控和光谱分析等应用。
近场光学通过提高光的局域性，突破了传统光学的分辨极限，成为纳米尺度下重要的研究领域。
2. 近场光学的原理近场光学原理涉及光波与物质在纳米尺度下的相互作用，主要包括光的散射、透射和反射等过程。
下面介绍近场光学的三种常见原理：2.1. 界面散射原理当光通过介质界面时，会发生散射现象，其中包括弹性和非弹性散射。
近场光学利用非弹性散射实现成像和操控，可以获得高分辨率的表面形貌信息。
2.2. 表面等离子体共振原理表面等离子体共振是指当电磁波与介质表面的自由电子耦合时，形成表面等离子体波。
这种波在介质表面附近存在强烈的电磁场增强效应，可以用于增强光的信号和局域化现象。
2.3. 近场成像原理近场光学成像原理是通过在纳米尺度下探测物体的光信号，获取超分辨率成像。
利用光的电场和磁场的局域性，可以将光场限制在纳米尺度范围内，实现超分辨率成像。
3. 近场光学的应用近场光学的应用涵盖了多个领域，包括生物医学、纳米材料、光存储和信息技术等。
以下列举了近场光学的几个主要应用：3.1. 超分辨率显微镜近场光学通过提高光的分辨极限，实现了超分辨率显微镜的发展。
它可以突破传统光学显微镜的衍射极限，获得更高的空间分辨率，并可观察到纳米尺度下的细胞和分子结构。
3.2. 纳米材料光学性质研究近场光学可以用于研究纳米材料的光学性质。
通过探测纳米材料的光谱和散射特性，可以了解其结构和性质。
这对于纳米技术的发展和应用具有重要意义。
3.3. 光数据存储近场光学可以实现超高密度的光数据存储。
通过利用光的近场效应和表面等离子体共振，可以实现局域化的光操控，将信息储存在纳米尺度下的介质中。
3.4. 光子器件和传感器近场光学在光子器件和传感器方面有广泛应用。
利用表面等离子体共振和局域化光效应，可以实现高灵敏度的化学和生物传感器，为光电子器件的设计和制造提供了新思路。
近场光学显微镜的工作原理
近场光学显微镜的工作原理商业计划书一、概述近场光学显微镜（Near-field Optical Microscope，简称NSOM）是一种重要的纳米尺度显微技术，其工作原理基于近场光学效应。
本商业计划书旨在介绍NSOM的工作原理，以及通过开展相关业务来推动该技术的商业化应用。
二、技术背景近场光学显微镜是一种基于光学原理的显微镜，可以实现纳米尺度的高分辨率成像。
与传统光学显微镜不同，NSOM利用近场光学效应，即光场与样品的极近距离相互作用，从而突破了传统显微镜的分辨率限制。
三、工作原理NSOM的工作原理可以分为两种方式：透射式和反射式。
1. 透射式NSOM透射式NSOM将样品放置在一个透明的探测器尖端下方，通过控制探测器与样品之间的距离，使其处于近场光学作用范围内。
然后，通过探测器尖端的极小孔径，只有几十纳米大小，将光束聚焦到样品表面，使得光场与样品的极近距离相互作用。
最后，通过检测光场的变化，可以获得样品表面的高分辨率图像。
2. 反射式NSOM反射式NSOM则是将样品放置在一个金属薄膜下方，通过探测器尖端的极小孔径，将光束聚焦在样品表面上。
与透射式NSOM不同的是，反射式NSOM通过探测器尖端侧面的金属反射，将样品表面的光场信息传递到探测器上。
通过探测器的移动和扫描，可以获得样品表面的高分辨率图像。
四、商业化应用NSOM作为一种高分辨率成像技术，具有广泛的商业化应用前景。
1. 纳米材料研究NSOM可以用于纳米材料的表征和分析，例如纳米颗粒、纳米线等。
通过NSOM的高分辨率成像，可以观察到纳米材料的形貌、尺寸和表面结构，为纳米材料研究提供重要的实验手段。
2. 生物医学研究NSOM在生物医学领域的应用也具有巨大潜力。
通过NSOM的高分辨率成像，可以观察到生物样品的细胞结构、蛋白质分布等细节信息，为生物医学研究提供宝贵的数据支持。
3. 纳米器件制造NSOM还可以应用于纳米器件的制造过程中。
通过NSOM的高分辨率成像和控制能力，可以实现对纳米器件的精确加工和调控，为纳米器件制造提供重要的工艺技术。
近场光学光谱
近场光学光谱近场光学光谱（Near-field Optical Spectroscopy，简称NS）是一种分析技术，它研究距离物体表面一个波长以内的光学现象。
近场光学光谱突破了一般光学显微镜的衍射极限，实现了纳米尺度光学成像和光谱研究。
近场光学显微镜具有超高分辨率、近场局域光谱和高密度数据存储等特点，在光电半导体领域具有广泛应用。
近场光学光谱技术的基本原理是利用非辐射场进行探测和成像。
在近场光学显微镜中，光源通过物体表面产生透射、反射和散射等光学信号，这些信号经过探测器收集和处理，可以得到物体表面的微观光学信息。
近场光学光谱技术可以应用于各种材料、结构和生物组织的表征和分析，包括LED芯片、光纤、半导体材料等。
近场光学光谱的主要应用领域如下：1. LED行业：近场光学光谱可以用于LED芯片的性能研究、光源亮度和色度测量、光学设计等。
通过对LED光源进行多角度亮度及色度测试，可以精确刻画出实际光效率，为优化LED性能和设计提供依据。
2. 半导体领域：近场光学光谱可用于半导体材料的表面形貌、光学性质和电子性质的研究，有助于半导体器件的优化设计和制造。
3. 生物医学：近场光学光谱可以应用于生物组织的显微成像和光谱分析，有助于疾病诊断、生物传感器和药物研发等领域。
4. 光学设计：近场光学光谱可用于光学元件、光纤和光子器件的设计与优化，提高光学系统的性能。
5. 环境保护：近场光学光谱可用于环境监测，如大气污染、水污染等，为环境保护提供科学依据。
总之，近场光学光谱作为一种先进的分析技术，在多个领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断发展，近场光学光谱技术将不断完善和创新，为各类行业提供更加高效、精确的光学解决方案。
纳米光学之近场光学1
二、为什么要用近场光学
扫描近场光学显微镜1986 scanning near-field optical
microscopy,SNOM
17
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。
三、近场光学基本原理
频 谱 面 物 面 频 谱 面
物 面
高频信息
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。
三、近场光学基本原理
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。
纳米光学及应用 Nano-Optics and Applications
Nanophotonics
• 近场光学1 Near-Field Optics
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。
• 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。 y
第 讲 近场光学
研究生课程纳米光学(Nano-Optics)第14讲:近场光学(I)董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院本讲内容1.什么是近场光学？2.为什么要用近场光学？-突破衍射极限-不确定性原理-关于近场光学3.如何进行近场光学检测？-牛顿实验-大小限制的对象-光与物质的相互作用-关键问题4. 扫描近场光学显微镜-SNOM-发展-框架和组件-探针-间距控制-工作模式-整个系统2Separation control:间距控制3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。
1、什么是近场光学？4光源探测器AB>>λ1、什么是近场光学？远场光学AB<λ近场光学Evanescent fieldEvanescent field: 倏逝场5Δx2.为什么是近场光学？0.61λ0n sin αΔx ≥~λ02物镜的数值孔径瑞利判据(Rayleigh Criterion)刚可分辨不可分辨衍射极限艾里斑6Δx测不准原理Δr Δp ≥hp =k•最佳分辨率:Δx min•Δk x =k 1-k 2=2k x =2k sin αsin α=1,Δk x ,max = 2k•根据测不准原理:Δx Δk x ≥2π,Δx min Δk x,max ≥2πΔx min 2k ≥2πΔx min ≥λ/2瑞利判据:h =2πOk 1k 2k 1=k 2=k2αAk xk xB2.为什么用近场光学？7Δx打破衍射极限Δk x →∞,Δx →0•无分辨率极限•如果k x >kΔx min <λ/2打破极限Δx min ≥λ/2•分辨率极限•最佳分辨率:Δx mink 1k 22αOk 1=k 2=kAk x k xB2.为什么用近场光学？k x ≤k•Δk x =k 1-k 2=2k x =2k sin αsin α=1,Δk x ,max = 2k•根据测不准原理:Δx Δk x ≥2π,Δx min Δk x,max ≥2πΔx min 2k ≥2πΔx min ≥λ/28k =k +k +k k z =i |k z |k x >k•k x > k 意味着什么?22x y 2zk z =i |k z |•波矢为复数zxy倏逝场(隐失场)倏逝场仅存在于近场区中！是近场光学研究的主要对象之一打破衍射极限2.为什么用近场光学？222zy x kk k k --=要k k x >必须k y 或k z 为虚数时，可突破衍射极限k x >kk z 强烈的约束场倏逝波又被称为光子隧穿效应9λ关于近场光学打破分辨率极限检测倏逝场在近场光学检测Illuminationλ倏逝场•更大的波矢（k x >k ）•打破了衍射极限•精细的结构信息•局限在近场传播场•较小的波矢（k x <k ）•更大的空间尺度•粗略的结构信息•远场辐射2.为什么用近场光学？10牛顿实验3.如何进行光学近场检测？d >λd <λ•适当的物体浸在光学近场中可以将倏逝场转换成传播场。
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第十九章光学显微镜、近场光学显微镜与近场光学第三节近场光学一、超分辨与近场光学概论（一）细光束的极值1、海森伯不确定性原理2、传输光束中光子的空间不确定性极值（二）突破分辨极限成像的关键（三）近场光学的定义二、近场光学显微镜(NOM)（一）NOM的发展历史1、早期NOM的设想与研究2、扫描隧道显微镜（STM）的发明促进A-SNOM发展3、尖散射型扫描近场光学显微镜（S-SNOM ）4、隧道结光发射扫描近场光学显微镜（TE-SNOM）5、光子扫描隧道显微镜（PSTM）（1）早期的光子扫描隧道显微镜（PSTM）（2）原子力与光子扫描隧道组合显微镜（AF/PSTM）（二）NOM综述1、NOM基本类型（1）基本类型（2）基本结构（3）有代表性的研究成果（4）NOM的适用范围2、NOM超分辨成像的基本条件（1）隐失光成像（2）超分辨尺度的光探测尖（3）光探测尖与样品表面间距的精确反馈控制（4）三维超衍射极限精度的扫描机构和高灵敏度记录系统3、NOM的产业化现状三、近场光学理论模拟方法（一）理论基础与方法1、近场、远场和隐失波、传输波概念的数学表述2、理论基础与其早期的研究3、近场光学理论方法（二）时域有限差分法1、时域有限差分法特点2、叶（Yee）氏网格3、麦克斯韦（Maxwell）方程的差分形式4、数值稳定性问题5、数值色散问题6、吸收边界条件（1）莫尔（Mur）二阶吸收边界（2）PML理想匹配层吸收边界7、散射场计算方法（1）总场和散射场方法（2）分离场公式8、色散介质中的时域有限差分方程(FD)2TD9、举例（1）A-SNOM实验结果（2）S-SNOM模拟结果（3）PSTM模拟演示（三）格林并矢方法1、李普曼-施温格（Lippmann-Schwinger）积分方程2、求解李普曼-施温格积分方程（1）介质样品“OPTICS”字符的PSTM 等高光场分布模拟（2）金属银膜样品“OPTICS”字符的PSTM等高光场分布模拟（四）高频电磁场有限元方法1、有限元方法解麦克斯韦方程2、伽略金方法3、总场方法4、举例（五）多重多极子方法1、多重多极子原理2、举例四、等离子体激元光学（Plasmonic Optics）（一）引言（二）表面等离子体激元（三）表面等离子体极化激元（SPP）1、SPP定义与产生机理2、SPP银膜最佳厚度与退相位效应（defaceing）3、SPP光环实验（四）表面等离子体激元应用与前景1、SPP化学、生物分子传感器2、光纤SPR 传感器3、近场超衍射极限透镜4、表面等离子体极化激元光子晶体5、SPP开拓微纳集成光子学技术（五）SP的传输长度和SP波导五、金属光学常数（一）铜、银、金的光学常数（二）金属自由电子理论概要与复介电常数1、杜鲁德（Drude）的自由电子理论概要2、金属的复介电常数参考文献第三节近场光学一、超分辨与近场光学概论（一）细光束的极值1、海森伯不确定性原理传统（透镜式、传输光）光学显微镜的有效放大倍率是有限的，它取决于成像的衍射极限。
阿贝（Ernst Abbe）推导的传统光学显微镜成像中两点或两线之间可分辨的衍射极限公式为△X=λ/2θsinn，它与海森伯不确定性原理同为物理学中的两大著名的物理极限定理。
1927年海森伯（Werner Heisenberg）发现不确定性原理[36]。
用海森伯原理可说明光子发射不确定性[37,38]，因而也可说明限制传统光学显微镜分辨极限的关键所在和突破光学显微镜分辨极限所要求的条件。
根据爱因斯坦相对论原理，光子能量（E）与动量（P）关系为E=c P（21）其中c为光速。
根据普朗克原理，光子能量与光波频率（ν）关系为E=hν= ω（22）其中h为普朗克常数， ≡h/2π，ω为角频率。
根据（21）式和（22）式，可导出光的波粒二象公式为（23）式中λ为真空中光的波长，n 为光束方向的单位矢量，k为光的波矢量，其绝对值为：|k|≡2π/λ，并有如下的色散关系（24）其中k x，k y，k z为直角座标中的分量。
根据海森伯不确定性原理，该光子在一维（X）某一点位置的不确定性范围（△X）与其动量X分量的不确定性范围（△P x）关系为△X•△P x≧ =h/2π（25）由于|P|=h /2π，和其X分量的不确定性范围为△P x =|P | • k x , （26） 因而 △X ≧1/ k x 。
（27）2、传输光束中光子的空间不确定性极限细光束的极值可由光束中光子的空间不确定性极限来决定。
设通过某一定点光束的光子均为传输光时，其波矢量k x = 2π/λ, k y = k z =0。
该传输光光束光子在X 轴上某一指定点的空间不确定性极限值根据（27）式，应为△X ≧ λ/ 2π （28）所有聚焦光束在束腰处，均满足传输光条件：k x = 2π/λ, k y = k z =0。
因此，传输光聚焦的焦斑尺度（△X ）将受上式局限，即不能小于“λ/ 2π”。
对于显微镜物镜，锥形光束聚焦的焦斑最小可分辨尺度设为CD ，则CD=K 1λ/NA （29）式中NA = sin n ， n 为空间折射率，θ为光速的半孔径角。
K 1是取决于显微镜物镜孔径中光场分布的一个常数。
对于均匀的场分布，K 1 =0.61（瑞利判据）；对于优化的环型光场，K 1 =0.36。
当NA = 0.9, λ= 400 nm 时，CD ≈140nm ；当NA=1.4时，用优化的环型光场，CD ≈100nm 。
因此，100纳米左右是用紫光显微镜聚焦光束可能达到的最小极限尺度。
（二）突破分辨极限成像的关键要求实现超衍射极限分辨，即要求海森伯不确定性公式（25）中光子的空间不确定性极值（△X super ）远小于衍射分辨极限（～λ/2π），即要求下式成立，△X super ﹤﹤λ/2π （30）将（29）式代入海森伯不确定性公式（25）中，得|P |•k x ﹥﹥|P |•2π/λ，即要求 k x ﹥﹥2π/λ，又 |k |=2π/λ，因此，要求| k x |﹥﹥|k | （31）k x 既要满足（30）式，同时又要受（24）式（|k |2 =k x 2＋k y 2＋k z 2）的约束，因此，k y 与k z 中必须有一个为虚数。
波矢量为虚数的光波，其场强将随离开光源（物体表面）的距离（Z 或Y ）呈指数衰减，这种光波必定是隐失光波（evanescent wave ）。
因此，由海森伯不确定性公式说明，实现超衍射极限分辨的关键,是成像系统必须利用隐失光，其理由是因为只有隐失光才能携带超衍射极限分辨的光信息。
（三）近场光学定义人们从研究超衍射极限分辨的光学历史中发现，必须利用物体近场的隐失光才能实现超衍射极限分辨。
因此，人们就将研究有关近场的光学现象、理论与技术称为“近场光学”。
但是，用近场来定义近场光学仍存在一些问题。
近场光学现象是很复杂的，一般，传输光和隐失光可以在近场同时存在。
如理想的最简单的是单个偶极子光发射，它的电磁场近场分布示意图见图19-17，其等场强面是一个以Z为轴的逥旋体形发射模型，电磁场以偶极子轴对称分布。
在λ/ 2π为半径的近场内外，电磁场轴向分布为急剧衰减的隐失场，而垂直于轴的平面上，在2π发散方向，电磁场发射均为可传输光。
图19-17 偶极子光发射的近场电磁场分布示意图因此，用近场来定义近场光学，即将研究小于一个波长（或半个波长，或λ/ 2π）光学现象来定义近场光学。
就没有抓住问题的关键和实质。
当近场只存在传输光而没有隐失光（或可忽略隐失光）的情况下，也就没有超衍射极限分辨可能，也就不存在研究超衍射极限分辨的近场光学问题。
同时，还因为近场的量往往很难确切说明，因此，用近场的模糊量来定义近场光学概念不够严密，而定义是需要严格的。
近来，人们认识到“近场光学”的实质，即隐失光是近场光学中最具标识性的特征。
因此，可把“研究光学超衍射极限分辨问题和研究与隐失光有关的一切光学现象、理论与技术”定义为近场光学。
二、近场光学显微镜(NOM)（一）NOM的发展历史1、早期NOM的设想与研究1928年辛格（Synge E H）[9]和1956年奥·基夫（O’keefe JA）[10]先后独自提出扫描近场光学显微镜的概念设计。
其要点是，用小于衍射极限纳米尺度的小孔代替扫描显微镜的物镜，限制扫描显微成像的细光束，让小孔贴近样品表面近场作二维扫描，同时，采集通过小孔和样品的细光束信息，构建突破衍射极限分辨的样品的光学显微图像。
这就是最早有歴史记录的“小孔径—扫描近场光学显微镜（A-SNOM）”设想。
1990年麦克马伦（McMullan）在发掘辛格（Synge E H）研究NOM历史的过程中，找到了证据说明：辛格当时已提出“小孔径型（A-SNOM）”和“散射型(S-SNOM）”两种超衍射极限扫描近场光学显微镜概念设想[39,40]，见图19-18，图19-18 辛格（Synge E H ）1928年提出的A-SNOM和S-SNOM设想[ 40]但是，扫描近场光学显微镜（SNOM）要求的技术是很高的，许多关键技术在19世纪中叶还难于实现，这些关键技术主要有：①纳米尺度小孔径（或者纳米尺度的光散射尖）制作技术；②小孔（或光散射尖）与样品之间紧贴（等间距）的精确控制技术；③小孔（或光散射尖）与样品之间相对的二维纳米精度扫描技术；④将二维扫描获得的光信息，构建成超衍射极限分辨的光学图像技术等。
为了证实扫描近场光学显微镜设想的可行性，1972年阿什（Ash E A）等用3cm波长的微波作扫描近场光学显微镜原理性实验，所得图像的分辨极值可达到150μm,比波长小了200倍[11]，说明扫描近场光学显微镜的原理是正确的。
由此可见，光频近场光学显微镜突破衍射极限将有望获得成功，即扫描近场光学显微镜的极限分辨能力可不受半波长衍射极限制约。
2、扫描隧道显微镜（STM）的发明促进A-SNOM发展1982年，罗雷尔（Rohrer H）和宾宁（Binning G）发明了扫描隧道显微镜（STM）[12]。
用该仪器检测导体和半导体表面，其成像的分辨率达到原子分辨水平。
因此，罗雷尔、宾尼希和发明电子显微镜的鲁斯卡共同获得了1986年的物理学诺贝尔奖。
扫描隧道显微镜（STM）的发明，极大地推进了扫描近场光学显微镜（SNOM）的开发进程。
1984-1986年，波尔（Pohl D W）[13],贝齐格（Betrig E）等[14]分别先后发表了空间分辨突破衍射极限的小孔径扫描近场光学显微镜（A-SNOM）的实验图像。
最早的A-SNOM[13]采用STM隧道电流控制尖与样品近场间距，用表面镀金属膜的石英四棱锥（在尖端开小孔）作为光发射尖，小孔光学尖(Tip)镀金属膜，小孔边有一小突起（Tor）用于STM等隧道电流的检测，见图19-19。