近场光学显微镜介绍

近场光学显微镜
1.概述
新型的近场光学显微镜的出现，使人们的视野拓宽到波长的十分之一以下，即纳米尺度。

在近场光学显微镜中，采用孔径远小于光波长的探针代替光学镜头。

当把这样的亚波长探针放置在距离物体表面一个波长以内，即近场区域时，通过探测束缚在物体表面的非辐射场，可以探测到丰富的亚微米光学信息。

随着扫描探针显微学、微弱光信号探测技术的发展，人们可以制备孔径小于50 nm 的光纤探针，并且精确地在样品表面几十纳米以内稳定、可靠地进行光学信息的扫描成像，即扫描近场光学显微镜，其光学分辨率达到波长的几十分之一。

由于光子具有一些特殊的性质，如没有质量、电中性、波长比较长(与电子相比较)、容易改变偏振特性、可以在空气及许多介电材料中传播等等，近场光学在纳米尺度观察上起到其他扫描隧道显微镜、原子力显微镜所不能取代的作用，引发了近场光学显微镜在纳米尺度光学成像、纳米尺度光学微加工与光刻、超高密度信息存储、以及生物样品的原位与动态观察等一系列研究。

在这个领域中，另一个新的发展是近场光学技术与近场光谱及时间分辨的结合。

人们不但能够分辨单一的分子，并且能得到单一分子发出的荧光光谱及与时间分辨(10 - 15s)相结合的介观体系信息。

同时，也提出了近场条件下分辨率、衬度、偏振及光的传播特性的新的理论问题。

2.近场光学显微镜的原理
传统的光学显微镜由光学镜头组成，可以将物体放大至几千倍来观察细节，由于光波的衍射效应，无限提高放大倍数是不可能的，因为会遇到光波衍射极限这一障碍，传统的光学显微镜的分辨率不能超过光波长的一半。

比如，以波长λ=400nm的绿光作为光源，仅能分辨相距为200nm的两个物体。

实际应用中λ>400nm，分辨率要更低些。

这是因为一般的光学观察都在距离物体很远的位置（>>λ）。

近场光学显微镜根据非辐射场的探测和成像原理，能够突破普通光学显微镜所受到的衍射极限，可以在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。

物体表面场的分布可以划分为两个区域：一个是距物体表面仅几个波长的区域，称为近场区域；另一部分从近场区域起至无穷远处称为远场区域。

常规的观察工具，如传统光学显微镜、望远镜及各种光学镜头均处于远场范围。

近场的结构则相当复杂，一方面它包括可以向远处传播的分量，又包括了仅限于物体表面一个波长以内的成分。

人们在一个世纪以前就意识到近场的存在及其复杂性：它的特征是“依附”于物体表面，强度随离开表面的距离增加而迅速衰减，不能在自由空间存在，因而被称为隐失波（evanescent wave）。

由于没有适当的观察工具能稳定地探测近场中隐失波所携带的物体精细信息，人们只能在远场对物体进观察，而仅仅从远场信息是不能重构物体的细节信息的。

对于近场光学显微镜来说，最基本的间题是非辐射场的探测，而这也唯一的一种能够突破衍射极限的光学观察技术。

1970年，Ash和Nicholl应用近场的概念，在微波波段（λ=3cm）实现了分辨率为λ/60的二维成像。

近场光学探测是由一系列转换完成的：①当用传播波或隐失波照射高空间频率的物体时，将产生隐失波；②这样产生的隐失场不服从瑞利判据。

这些场在远小于一个波长的尺度的局部范围内有很大的变化；③根据互易原理，这些不可探测的高频局域场可以通过微小物体的转换而将这个隐失场转换为新的隐失场以及传播；④传播场被适当的远距离探头所记录，探头获得的信息准确反映精细结构的局部变化，当用一个微小物体（如光线探针的尖端）进行平面扫描时，我们就可以得到二维图像。

图2近场光学显微镜原理示意图
如图1图2，微光纤探针（一般表面镀有几十纳米的金属层，以防止光信号泄露）将激光传导到10-100纳米微区，在样品激发的近场信号被光学镜头或者CCD接收、记录。

当探针做二维扫描时，同时得到样品形貌和近场光分布。

探针-样品间距保持在10-50nm的近场范围。

3.近场光学显微镜的组成部分
3.1.物镜
传统光学显微镜的关键部件是物镜，它的放大倍数和数值孔径决定了显微镜的分辨率。

近场光学显微镜的核心部件是孔径小于波长的小孔装置，如光纤探针，它的几何孔径类似于显微物镜的数值孔径。

在光纤探针至被照明样品距离一定时，光学探针透光孔径的大小对近
场光学显微镜的分辨率起着关键的作用。

对于近场光学显微镜，为了获得较高分辨率，一方面，必须使通过光学探针的光束在横向上尽可能地受到限制；另一方面，也要使通过限制区域的光流量尽可能大，以提高信噪比。

因此，实际的光学探针应该按照上述两方面的要求进行设计和制作。

迄今为止，已设计和制作了4种不同类型的探针，它们分别是小孔探针、无孔探针、等离子激光探针和混合光学探针。

其中小孔探针是应用较为广泛的光学探针，它既可以是用光纤制成，也可以不用光纤制造，分别称为光纤导光型探针和非光纤导光型探针。

光纤导光型探针用单模或多模光纤制成，常简称为光纤探针。

根据波导原理，通过探针窗口的光流量与探针的几何形状有关，从而分辨率也与几何形状有关。

因此，为进一步提高近场光学显微镜的分辨率，必须同时优化针尖的几何形状。

另外探针顶端锥体的角度及其变化愈大愈光滑，光的传输效率愈高。

对于光纤探针，拉伸法可以制造出传输效率高的抛物线型尖锥体，而化学腐蚀法则可得到尺寸小于30 nm的窗口。

但当窗口尺寸小于30 nm时，光传输效率急剧下降。

因此，为了得到性能良好的光纤探针，必须同时兼顾探针的窗口尺度和锥体形状。

理论计算表明，具有3°~6°尖锥角的探针将同时具有较好的窗口尺寸和最佳传输效率。

光纤探针是目前比较成熟和用得较多的光学探针。

3.2.探针与样品间距的测控
近场光学显微镜是利用纳米量级的高度局域的近场光获得物体形貌像，它要求采用网格状逐点扫描技术来获取样品的形貌像。

在扫描过程中，一个很关键的问题是必须使探针与样品间的距离控制在近场(几纳米至几十纳米)尺度范围内并保持某一恒定值。

因此，精确测控探针与样品间的距离是近场光学显微镜中的一个很重要环节。

到目前为止，已发展了几种控制探针与样品间距的测控技术，如：切变力强度测控技术，接触型测控技术，隧穿电流强度测控技术，近场光强度测控技术。

下面将对其中的两种作简要介绍。

1.切变力强度测控技术
切变力强度测控技术是Betzig等人提出的，是利用探针针尖与样品间的横向切变力进行探针与样品间距控制。

当使探针平行于样品表面的方向以探针的机械共振频率颤动并向样品表面接近时，在探针垂直接近到样品表面几十纳米高度时，探针与样品间的相互作用将产生横向切变力。

此时，探针的颤动幅度会因受切变力的阻尼而减小，于是，探针颤动幅度的大小就反映了针尖至样品的距离。

因此，用反馈方法维持针尖颤动的幅度，就能使针尖至样品的距离保持在某一恒定值。

2.接触型测控技术
在上面介绍的切变力测控技术中，探针和样品之间是非接触式的。

这里将介绍一种Lapshin等人新引入的接触型测控技术。

在这种技术中，探针粘在作为传感器的音叉上，传感器以使探针垂直于样品表面保持0.1 ~10 nm的幅度振荡。

当探针接近样品表面并彼此接触时，振荡电流减小，结果在扫描过程中，探针与样品将永久保持接触状态。

这种技术可应用于从单个荧光中心直接转移能量的近场光学显微镜，而这种新型近场光学显微镜十分有利于改善它的分辨率和灵敏度。

3.3.光路
光路是近场光学显微镜的另一主要结构部件，它主要包括光源和照明光路以及收集光路和光探测器两大部分。

1.光源和照明光路
近场光学显微镜中的光源不能采用传统光学显微镜中的扩展白光光源，而是采用激光单色光源，并通过光纤输送照射样品。

另外，还须注意以下事项：1)为使激光至光纤的耦合更好和通过光纤的传输效率更高，必须使用单模激光器和单模光纤；2)由于光纤的耐热性不好，大功率激光很容易损伤探针，激光的输出功率必须加以限制，光纤探针一般只能承受约50 nW的传输功率。

2. 收集光路和光探测器
由于近场光学信号一般来说比较弱，因此应最大限度地提高光的收集效率。

此外，由于近场光学显微像是由局域光信号经网格状扫描而成，因此，光探测器必须是高灵敏度而且可以快速采集信号的光电探测器，如光电倍增管和电荷耦合探测器等，而不能是传统显微镜中用的肉眼或照相机等。

3.几种典型光路
图2（a～d）是4种典型的近场光学显微镜的光路图。

图中的探针一般是采用单模光纤，其端部为锥形，口径在50 nm 左右，即亚波长尺度。

由于针尖的尺度和形状直接影响近场光学显微镜的分辨率及波导性能，因此必须优化设计针尖的尺寸和形状。

另外为了避免环境杂散光的影响，需要将针尖作金属化处理，即镀上10 nm 左右厚的铝膜或金膜。

(a)和(b)是透射方式适用于观察透光性好的样品；(c)和(d)是反射方式，适用于观察不透明样品及做光谱研究。

在(a)中，当入射光在衬底表面发生全反射时，在z方向的隐失场被样品调制后由光
纤探针在近场范围导出；在(b)中，光纤用来提供近场光源，来自样品的光信号再由光学系统(镜头)传到探测器；(c)采用外部光照射，而光纤探针收集来自样品表面反射产生的散射光；而(d)是由光纤提供入射光并由一个环型收集器，如反光镜将较大立体角范围的散射信号收集并送至探测器。

以上四种光路从本质上可以分为两类：一类是入射光为远场提供，而采集隐失场信号，如(a)和(c) ；另一类是探针提供近场光源，用普通光学系统收集信号，如(b)和(d)。

4.近场光学显微镜的应用
由于光子的特性，近场光学显微镜在生物研究中具有许多优点：
(1)超越光学衍射极限的分辨率，甚至可达到亚纳米量级；
(2)光学显微技术，无侵入性，可在生物的自然状态环境下进行观测研究；
(3)能够观测吸收、反射、荧光、偏振对比度，透视生物样品内部光学性质；
(4)光谱学分析，对化学状态具有高分辨率；
(5)局域(纳米级)光与样品的相互作用；
(6)单分子水平观测灵敏度，1 photon/ sec ；
(7)纳米空间分辨率，高时间分辨率(飞秒) ；
(8)能在室温条件下工作
4.1.生物技术方面的应用
近场光学显微镜在生物和化学研究领域已有很多应用，并且仍然具有很大的应用潜力。

广泛用在测量生物样品（病毒、红细胞、蛋白质膜、DNA和染色体）等方面。

如DNA分子，以前我们只是停留于DNA分子链的变化，而没有涉及其复制的机理或机制，现在则可以由近场光学显微技术将DNA锁定于原子或分子水平。

对DNA分子中基因的变化进行原子追踪，可以搞清楚DNA分子变化的深层原因与过程。

近场光学显微技术在生物学方面的研究不止DNA分子的探索一个方面，凡是生物分子甚至是活分子都可以被观测到，还可以得到3D图像，不过这3D图像是通过不同角度或不同方向进行扫描而得。

近场光学显微技术的发展大大推动了微观生物学的进步。

应用单分子操纵技术可研究测量单分子运动反应的力和位移，如蛋白质分子的折叠拉直等。

通过单个分子的荧光测量加上单分子操纵技术就可能同时检测不同的生物化学反应，可检测在不同环境中生物大分子的构型变化，如ATP的水解。

4.2.在微电子技术方面的应用
信息技术的核心是信息的高密度存储。

由于近场光学显微镜对环境条件要求低，以及已有的成熟的光盘技术基础，因此，它已成为各种近场高密度信息存储技术的强有力的竞争者。

提高信息存储密度是科研和工业界极为关注的重大问题。

目前的光学及磁光读写方式采用的是远场技术，由于受衍射极限的限制，读写斑的尺寸被控制在1 mm左右，存储密度约为55 Mbit/cm2，并且使用较短的激光波长对存储密度提高不大。

而近场光学的发展提供了一种新的原理。

由于扫描近场光学显微镜能突破衍射极限的限制，因而大大提高了存储密度。

采用近场技术，读写斑的尺寸可以减小到20 nm，存储密度可以提高到125 Gbit/cm2。

按此密度计算，一张30 cm 光盘的总容量可以达到1014 bit，相当于美国国会100年档案信息的总和，接近人脑的总存储能力(1015 bit)。

Betzig等人已成功地演示了这种可能，使读写斑的尺寸减小到60 nm，存储密度达到7 Gbit/cm 2。

由此可见，近场光学显微镜在提高信息存储密度方面，也有着巨大的潜力。

近场光学显微镜还用在光盘表面光滑程度和晶体管质量检测上。

举出一例，在集成电路中，各个晶体管之间电子往来穿梭，此时会有电子发光现象，运用特殊的光电倍增管可将微弱的光信号记录下来，利用近场光学显微技术可将图象摄制下来。

有时场效应晶体管(FETS)会发生错误，在数以百计的晶体管中很难确定究竟是哪一个晶体管出了问题。

现在通过近场光学显微技术，把所有工作的微处理器的工作状况摄制下来，然后图片进行叠加，电子运行电流不一致的地方，就是有问题的晶体管，这个过程是通过测定电子运动时所发光束来判断的。

4.3.近场光学与光谱学的结合
把近场光学显微技术同光谱学技术结合起来，可以拓展应用的范围。

其中近场光学显微技术的作用是扫描，而光谱技术的作用是区分、定量，故两者结合就可以区别物体中的成分以及成分的含量。

如一块金属中可能含用金、银、铜等成分，可以首先提取样品，置于载玻片上，运用扫描探针显微技术可以发现样品表面原子的排列情况，由于几种成分的原子体积有差别，故可以直观看出该物质不是纯金属，而是混合物；然后就可以根据金属的谱线来确定物质的量了。

参考文献
[1]朱星, 近场光学显微镜. 现代科学仪器, 1998: 第84-89页.
[2]朱星, 近场光学与近场光学显微镜. 北京大学学报(自然科学版), 1997(3): 第124-137页.
[3]朱星, 纳米尺度的光学成像与纳米光谱———近场光学与近场光学显微镜的进展. 物理, 1996(8): 第14-21页.
[4]蔡继业等, 扫描探针显微术的应用(综述). 暨南大学学报(自然科学与医学版), 2001(3): 第91-95页.
[5]葛华勇, 近场光学显微镜及其应用. 激光与光电子学进展, 2002(6): 第8-12页.。