近场光学显微技术原理及应用

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
近场光学光谱
光学探头
五、近场光谱学——光致发光（荧光） PL谱
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 (scanning nearfield optical microscope)。分辨率达到了1/20波长。
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。
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.
隐失场的表达式 ：
E(x,
y,
z,
t)
A(
x,
y,
z)
exp[-i(k
x
x
kx
y)]
exp(
-z Rd
)
二、隐失场理论 1、隐失场的特征
隐失波 (evanescent wave，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。
四、高分辨率光刻和三维加工
The NSOM was used to create structures on a photoresist sample. The smallest line written was 60 nm wide.
• Naber, A., H. Kock, et al. (1996). High-Resolution Lithography with Near-Field Optical Microscopy.?Scanning 18: 567-571.
y 0.610 n sin
3、提高传统光学显微镜分辨率的途径
y 0.610 n sin
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NA
NA >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
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f率- 1
(单位长度内光栅条纹数 )
频率越高，d 代表物体或光场的结构越精细。
三维情况 : 空间频率分u量, v,(w
),电磁场的传播波矢
k与直角坐标轴的三个交角、为、(
)
cos, cos, cos
并且 2 2 2 1
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。
F
A
C’
B
B’
C
A’
一、辐射场和隐失场
远场 (> ) 近场(~< )
电磁波 ( ) 隐失波
辐射场：该分量能够向外传 播。（电磁波）
物体
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）
G-line
Tip is approached
Tube image width is ~ 70 nm (limited only by
size of the tip)
本章小节
1、基本概念： 近场：
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）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。
三、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；
(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；
第三节 近场光学显微镜基本结构
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
二、近场光学显微镜的主要部件
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 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 几种典型光路：
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
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)
（4） （5）
一、辐射场和隐失场
3、光栅衍射场和精细结构
y
•1)光栅周期大于波长（d>λ）
d
1/v x
u2
v2
1
2
2 2 1
1/u
A(
,
,
z)
A0
(
,
)
exp[i
2
(1 2 2)z]
Fra Baidu bibliotek
（5）改写A(
,
,
z)
A0 (
,
) exp[i(z)，] 实数
(z)
2）光栅周期小于波长（d<λ）
五、近场光谱学——针尖拉曼增强
AFM cantilever Enhanced
Raman signal
Focused laser spot
__ 200 nm __ 200 nm
Tip is away
Tube image width is ~250 nm (limited by
wavelength of light)
三、近场光学显微镜概述
1、 近场光学显微镜之演进历史
• 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
三、近场光学显微镜概述
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
三、近场光学显微镜概述 2、 提高显微镜分辨率的历史概貌
分辨率/nm 1000 100 10 1
0.1
1800 1850 1900 1950 2000 年
传统光学显微镜 电子显微镜 场离子显微镜 扫描隧道显微镜 近场光学显微镜
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
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
D C
A B
E
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 (三）观测微小的光场图像
(1)
u, v, w
一、辐射场和隐失场
2、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 ( , )
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 x
y’
F
x’
衍射屏 光学图象
透镜
夫琅禾费衍射场
频谱分析器 傅立叶频谱面
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。
1、传统光学显微镜分辨本领
肉眼 显微镜筒
样品台 聚光镜
• 传统光
相对光强曲线 I / I0
学显微
主极大
镜
第一极小
－光学透镜
sin
组成
• 光学衍 射极限
－艾里斑
艾里斑
光源
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。
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。
150nm
两个相邻的单分子荧光光谱
五、近场光谱学——拉曼光谱
Raman scattering spectrum (left) obtained from retinol acetate (vitamin A) microdroplets. Right picture is a micro-Raman image of the droplets obtained at 3000cm-1 line. Image size is 10x10µm.
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
三、在信息存储中的应用 高密度信息存储
三、在信息存储中的应用
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。
E(x, y, 0) exp[i 2 ( x y)]dxdy
（3）
一、辐射场和隐失场 2、傅里叶光学角谱方法
由E(x，y，z ）处的光场
E(x, y, z)
A( , , z) exp[i 2 ( x y)]d d
A(
,
,
z)
A0 (
,
) exp[i
2
(1 2 2)z]
u2
v2
1
2
2 2 1
（5）改写A(
,
,
z)
A0 (
,
) exp[(z)]
，实数
(z)
一、辐射场和隐失场 3、光栅衍射场和精细结构
定义沿着光场振幅衰减到1/e的距离为衰减距离Rd，
Rd
1
(z)
2
2 2 1
直角坐标下，辐射场展开可写为：
（6）
E(x, y, z)=A(x, y, z)exp[-i(kxx kx y kzz)]
二、隐失场理论 1、隐失场的特征
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 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：
扫描近场光学显微技术 原理及应用
(Scanning Near-field Optical Microscopy, 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
(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。