扫描近场光学显微镜-中国科学院物理研究所

-Raman Scattering
C.L. Jahncke et al. Appl. Phy. Lett. 67 (17), 2483 (1995)
-Polarization and Orientation
Biblioteka Baidu
B. McDaniel et al. , Appl. Opt. 37, 84 (1998)
-Magnetic-Imaging
带高空间频率信息的光波，但它们并不能向远处传播，而是几乎沿着光阑的平 面传播，其强度随着z方向呈指数衰减。携带低空间频率的光波仍然不受阻碍 地向前传播。 (J. P. Fillard, 1996)
近场光学显微探针示意图
1928年 Sir Synge 1972年 Ash & Nichols
用一个比衍射极限小的孔紧贴物 体表面指出有可能得到比衍射极 限分辨率高的光学图象, 困难在 于：小孔的制造和弱光的检测
Invented by British microscopist Robert Hooke sometime in the 1660s.
对原生动物、细菌、血红细 胞、毛细血管，以及昆虫的循 环系统的广泛的研究之中 . 分辨本领达到令人惊异的2微
米
光学衍射极限
点光源衍射斑（Airy斑）的空间分辨 (a) 单个点光源夫琅和费衍射形成的照度分布 (b) 两个相互接近的相同点光源形成的总照度分布 (c) 两点光源像恰好分辨时，照度中心极小值为
最大值的74％（Rayleigh判据）
R为最小分辨距离 λ为照明光的波长 n为物方折射率 μ为物镜对样品的 半张角 nsin μ称为数值孔径
(N.A.)
光学显微的分辨本领 R ＝λ/(2NA) R =0.61 λ /NA
提高常规光学显微镜的分辨本领：
N（um1）er减ica小l A照pe明rt光ure波长λ
U. Hartman, J. Magn.& Magn. Mater. (1996)
-Data Storage
H.J. Mamin, IBM J. Res. Develop. (1995)
-Biological Imaging
N. Van Hulst et al. J. Struct. Bio., 119,222 (1997)
讨论内容
光学成像与光学衍射极限 扫描探针显微家族（SPM）
近场光学的基本原理
基于隐失场的实验技术 应用 理论问题
提高光学显微镜的分辨本领：减小照明光波长λ，或增大数 值孔径N.A.。最好的油浸式显微镜的N.A.也不过1.5左右。 假如使用500nm的入射波长，仅可以得到200nm的分辨率。
λ= 3cm 的微波得到λ/60的分辨 率
1980年
D.W.Pohl IBM Zurich)
STM 技 术 镀 上 金 属 的 石 英 针 尖 得到了近场光学图象
1986年 A.Harootunian (Cornell University)
1991年 Betzig AT&T Bell Lab
用光纤拉制探光小孔
-Quantum Dots, Quantum Wires H.F. Hess et al. Science 264, 1740 (1994)
-Lithography
S. Madsen et al. J. App. Phy. 82 (1) 49 (1997).
-Photonic Device Characterization S.K. Burratto et al. App. Phy. Lett. 65,
（2）增大数值孔径N.A.
(若NAN).A=.为n(1s.i5n，μ入) 射波长 为500nm，则分辨率 200nm
讨论内容
光学成像与光学衍射极限
扫描探针显微家族（SPM）
近场光学的发展历史 近场光学的基本原理 实验技术 应用 理论问题
1
会 国家理自学然部科实学验基物金理委讲员习班
数
2654 (1994)
Optical Antenna
Hecht, Martin, Pohl, Science (2005)
与常规光学显微镜的二 维同时成像不同，这一 新技术采用距样品表面 仅几个纳米的探针逐点 扫描成像的方法，可以 在几十纳米的分辨率下 同时得到样品微区的形 貌和光学信息。扫描近 场光学显微镜(SNOM: Scanning Near-field Optical Microscope)
镀上金属铝的光纤针尖得到 λ/20的光学分辨率, 突破了 光学显微镜的衍射极限
2
会 国家理自学然部科实学验基物金理委讲员习班
数
Development of SNOM
-Single Molecule Detection
J.K. Trautman et al. Nature 369,40, (1994)
1928年，Synge提出用亚波长的小孔在样品表面扫描，可 以获得亚波长的分辨率。
Ash和Nicholls首先在微波波段实现了λ/60的分辨率。
Transmission distribution v.s. aperture size
(a)光阑的半径a远远大于λ，光束不会发散。 (b)光阑的大小在若干个波长的范围内，光波在穿过光阑之后在切向产生发散 (c)光阑的尺度小于波长的一半，在光阑处产生具有较大切向分量的波矢，代表携
会 国家理自学然部科实学验基物金理委讲员习班
数
发现纳米尺度的光学现象
―近场光学与近场光学显微镜
朱星
北京大学物理学院 国家纳米科学中心
扫扫描描探探针针显显微微镜镜实实验验技技术术讲讲习习班班
22000077--33--3300
讨论内容
光学成像与光学衍射极限
扫描探针显微家族（SPM） 近场光学的基本原理 基于隐失场的实验技术 应用 理论问题
它是由物体表面附近近 场范围内的各种光场信 息如：局域反射、吸 收、散射、折射率变化 等组合而成的光学图像
共焦光学显微镜的空间分辨率也只能达到约0.15 μm
电子:
波长(0.0037nm --100Kev) 远小于光波长，成像分 辨率达到10−1nm的量级
电子显微镜需要高真空，不能用来观察处于 空气和液体中的样品。并且，电子显微镜亦 不能用于样品光学性质的研究，其高能电子 束也会对有活性的生物样品造成损伤。