近场光学显微镜及其应用111

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1、第39卷，第6期Vol.39,No.62002年6月激光与光电子学进展June2002近场光学显微镜及其应用*葛华勇（上海大学物理系，上海200436）提要近场光学显微镜是一种新型超高空间分辨率的光学仪器，它在很多领域都有广泛应用。本文描述了近场光学显微镜的成像原理及结构部件，简要介绍了近场光学显微镜在高分辨率光学成像、高密度信息存储以及近场光谱等领域中的应用关键词近场光学，近场光学显微镜，分辨率极限近场光学显微镜的成像方式们不能用光学元件重现物体，即1前言和结构不同于传统的光学显微出现衍射极限。然而，这种衍射极镜，它是通过探针在样品表面逐限对分辨率的限制并非是本质的，80年代以来，随着科学

2、技术点扫描，并将探测到的光信号进如果将尺寸小于波长的探针置于向小尺度与低维空间的推进以及行处理成像。受衍射极限的限探针和样品间距小于l的范围扫描探针显微技术的发展，在光制，传统的光学显微镜的分辨率内，即在近场条件下，用扫描的学领域中出现了一个新学科——极限为[(0.61l)/(NA)]（不相干光方式采集来自样品的信息，则可近场光学。近场光学是指光探测获得超出衍射极限的分辨率[1]。照明，式中NA为数值孔径，l为器及探测器与样品间距均小于辐光波长），或[(0.77l)/(NA)]目前已发展了一系列近场光学显射波长条件下的光学现象；而近（相干光照明）。在可见光范围内，微镜，所报道的分辨率极限已经

3、场光学显微镜是基于近场光学理分辨率极限最好可达到200nm左达到(l/20)～(l/40)。论的一种新型超高空间分辨率光右，这时，成像用的镜头尺寸及学仪器。1984年，近场光学显微镜头与样品间距远远大于光波波2近场光学显微镜的成像原理镜的原型“光学听诊器”的发明，长，即处于远场条件。而对微小物及结构标志着人类第一次突破了光学显体成像的要求是尽可能多地记录2.1成像原理微镜的衍射极限分辨率。自1992年物体所载有的各种空间频率。由用单模光纤做成光学探针以及利用傅里叶光学我们知道，一个成像近场光学显微镜的成像原理切变力进行探针针尖至样品表面距系统是将样品发出的各个傅里叶不同于传统的光学显微镜，它

4、是离测控后，近场光学显微镜开始被分量或空间频率收集而进行合成，由探针在样品表面逐点扫描，逐作为一种用于观察和研究亚波长物处于远场条件时，由于有限的数点记录后数字成像。图1是一种近场光学显微镜的成像原理图[1]。体的外观形貌和内在性质的新型光值孔径，通常使用的探测元件都学仪器。在此后的短短几年内，在相当于一个低通滤波器，即仅仅图中x-y-z粗逼近方式可以在几纳米和介观尺度上，它被广泛应用采集到信号的低频部分；当被观十纳米的精度调节探针-样品间到物理、化学、生物、医学和信息察样品的间距小于(l/2)时，由于距；而x-y扫描及z控制可在1产业等领域。高的空间频率信号的损失而使我nm精度控制探针扫描

5、及z方向的8收稿日期2002-03-16*基金项目：国家自然科学基金资助课题（69778011）。作者简介：葛华勇（1976~），女，硕士研究生，主要从事近场光学成像理论与术研究。第39卷，第6期Vol.39,No.62002年6月激光与光电子学进展June2002反馈随动。图中的入射激光通过光学探针透光孔径的大小对近光学显微镜的分辨率，必须同光纤引入探针，并可以根据实验场光学显微镜的分辨率起着关时优化针尖的几何形状。另外要求改变入射光的偏振态。当入键的作用。探针顶端锥体的角度及其变化射激光照射样品时，探测器可分对于近场光学显微镜，为愈大愈光滑，光的传输效率愈高[4]。对于光纤探针，拉伸法别

6、采集被样品调制的透射信号和了获得较高分辨率，一方面，反射信号，并由光电倍增管放必须使通过光学探针的光束在横可以制造出传输效率高的抛物大，然后可以直接由模-数转换向上尽可能地受到限制；另一线型尖锥体，而化学腐蚀法则后经计算机采集或者通过分光系方面，也要使通过限制区域的光可得到尺寸小于30nm的窗统进入光谱仪以得到光谱信息。流量尽可能大，以提高信噪比。口。但当窗口尺寸小于30nm时，光传输效率急剧下降[5]。整个系统的控制、数据的采集、图因此，实际的光学探针应该按照像的显示和数据的处理均由计算上述两方面的要求进行设计和制因此，为了得到性能良好的光机完成。由以上成像过程可以看作。迄今为止，已设计和

7、制作了纤探针，必须同时兼顾探针的出，近场光学显微镜可以同时4种不同类型的探针，它们分别窗口尺度和锥体形状。理论计采集到三类不同的信息：样品是小孔探针、无孔探针、等离子算表明，具有3°~6°尖锥角的表面形貌、近场光学信号及激元探针和混合光学探针。其中的探针将同时具有较好的窗口光谱信号。小孔探针是应用较为广泛的光学尺寸和最佳传输效率。2.2结构探针，它既可以是用光纤制成，光纤探针是目前比较成熟2.2.1光学探针也