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1、当一束单色平面光波由折射率为的光密介质射向折射率为的光疏介质时,通常在两种介质的分界面上产生反射和折射现象。如果入射角大于全反射临界角,将发生全反射现象，这时,入射到界面上的全部能量都被反射回介中,没有能量流过界面进入介质2中。现在把另一折射率为介质3放在介质2中,使介质3的表面与介质1、2的界面平行并且相距波长的数量级,见下图，来测量介质3中是否有光波存在。实验上的确在介质3中测量到了透过介质2进入介质3的光波。这种当入射角超过全反射临界角，而透过介质2进入介质3的现象称为光学隧道效应。光学隧道效应的最直接应用就是在集成光学中作为光耦合器、用棱镜
2、耦合器将激光耦合进薄膜波导，见示意图。将一个高折射率的棱镜压在波导上，在棱镜和波导薄膜之间形成一间隙很小的空气薄层，调整入射光束的方向，使其在下表面的入射角大于棱镜空气界面的全反射临界角，则由光学隧道效应，入射光就被耦合进光波导中，这种把光耦合进波导的器件称为输人耦合器。根据光路的可逆性,同理可以利用光学隧道效应把光从波导中藕合出来,这种器件叫做输出耦合器，耦合效率的理论值最高可达100%,现在，实验上已经实现了80%的耦合效率.AFM是用一端固定而另一端装有纳米级针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌的。当样品在针尖下面扫描时，同距离密切相关的针尖-
3、样品相互作用就会引起微悬臂的形变。也就是说，微悬臂的形变是对样品-针尖相互作用的直接反映。通过检测微悬臂产生的弹性形变ΔZ,就可以根据微悬臂的弹性系数ｋ和函数式Ｆ=k·ΔZ直接求出样品-针尖间相互作用Ｆ。AFM利用照射在悬臂尖端的激光束的反射接收来检测微悬臂的形变。由于光杠杆作用原理，即使小于0.01nm的微悬臂形变也可在光电检测器上产生10nm左右的激光点位移，由此产生的电压变化对应着微悬臂的形变量，通过一定的函数变换便可得到悬臂形变量的测量值。当样品在XY平面内扫描时(对某一点其坐标为[x,y])，若保持样品在Z轴方向静止，且令探针的竖直初始位
4、置为零，则可根据针尖-样品相互作用与间距的关系得到样品表面的高度变化信息Δh(x,y)，即样品表面任意点(x,y)相对于初始位点的高度。对样品表面进行定域扫描便可得到此区域的表面形貌A=A(x,y,Δh(x,y))。AFM仪器的核心部件包括以下四大系统：反馈光路提供光源的激光系统进行力-距离反馈的微悬臂系统执行光栅扫描和Z轴定位的压电扫描接收光反馈信号的光电探测器激光器是光反馈通路的信号源。 由于悬臂尖端的空间有限性，就对照射器上的光束宽度提出了一定要求：足够细、单色性好、发散程度弱；同时也要求光源的稳定性高，可持续运行时间久，工作寿命长。而激光正
5、是能够很好地满足上述条件的光源。悬臂有足够高的力反应能力悬臂有足够高的时间分辨能力，悬臂容易弯曲、易于复位，具有合适的弹性系数，使得零点几个纳牛(nN)甚至更小的力的变化都可以被探测到；悬臂的共振频率应该足够高，可以追随表面高低起伏的变化。微悬臂的尺寸必须在微米的范围，而位于微悬臂末端的探针则在10nm左右，而其上针尖的曲率半径约为30nm，悬臂的固有频率则必须高于10kHz。通常使用的微悬臂材料是Si3N4。压电换能器是能将机械作用和电讯号互相转换的物理器件。它不仅能够使样品在XY扫描平面内精确地移动，也能灵敏地感受样品与探针间的作用，同时亦能将
6、反馈光路的电讯号转换成机械位移，进而灵敏地控制样品和探针间的距离(力)，并记录因扫描位置的改变而引起的Z向伸缩量Δh(x,y)。这样，压电扫描器就对样品实现了表面扫描。常见扫描器的最小分辨率为0.1nm×0.1nm×0.01nm。目前AFM探测悬臂微形变的主要方法是光束偏转法。用一束激光照在微悬臂的尖端，而用位置灵敏光检测器来接收悬臂尖端的反射激光束，并输出反映反射光位置的信号。由于悬臂的形变会引起反射光束的偏移，导致反射光在检测器上位置的变化，进而产生反应悬臂的形变的电讯号，以供调节压电扫描器的伸缩控制。接触模式非接触模轻敲模式样品扫描时，针尖始
7、终同样品“接触”。此模式通常产生稳定、高分辨图像。针尖-样品距离在小于零点几个纳米的斥力区域，对应图3中的1-2段。当样品沿着xy方向扫描时，由于表面的高低起伏使得针尖-样品距离发生变化，引起它们之间作用力的变化，从而使悬臂形变发生改变。由于生物分子的弹性模量较低，同基底间的吸附接触也很弱，针尖-样品间的压缩力和摩擦力容易使样品发生变形，从而降低图像质量。针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品表面接触。针尖检测的是范德瓦耳斯吸引力和静电力等长程力，对样品没有破坏作用。针尖-样品距离在几到几十纳米的吸引力区域，对应图3中的3-4段，针尖-样品作用力比
8、接触式小几个数量级，但其力梯度为正且随针尖-样品距离减小而增大。当以共振频率驱动的微悬臂接近样品表面时，由于受到递增的力梯
