第14讲_近场光学-1

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1、2014/3/11研究生课程纳米光学(Nano-Optics)第14讲:近场光学(I)董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院本讲内容1.什么是近场光学？2.为什么要用近场光学？-突破衍射极限-不确定性原理-关于近场光学3.如何进行近场光学检测？-牛顿实验-大小限制的对象-光与物质的相互作用-关键问题4.扫描近场光学显微镜-SNOM-发展-框架和组件-探针-间距控制-工作模式-整个系统2Separationcontrol:间距控制12014/3/111、什么是近场光学？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

2、场以外一直延伸到无穷远的区域。31、什么是近场光学？远场光学AB>>λ光源探测器近场光学AB<λEvanescentfield4Evanescentfield:倏逝场22014/3/112.为什么是近场光学？刚可分辨不可分辨衍射极限艾里斑Δx瑞利判据0.61λ0λ0Δx~(RayleighCriterion)nsinα2物镜的数值孔径52.为什么用近场光学？测不准原理h=2pkΔrΔph•最佳分辨率:ΔxminAk12α•Δkxk1k22kx2ksinkxΔxOsinα1,Δkx,max=2kkxBk2•根据测

3、不准原理:k1=k2=kΔxΔkx2,ΔxminΔkx,max2Δxmin2k2π瑞利判据:Δxminλ/2632014/3/112.为什么用近场光学？打破衍射极限Δxminλ/2Δkx,Δx0•分辨率极限•无分辨率极限•最佳分辨率:ΔxminAk12α•Δkxk1k22kx2ksinkxkkxΔxOsinα1,Δkx,max=2kkxBk2•根据测不准原理:k1=k2=kΔxΔkx2,ΔxminΔkx,max2Δxmin2k2πΔxminλ/2•如果kxkΔxminλ/2打破极限7

4、2.为什么用近场光学？打破衍射极限•kx>k意味着什么?•波矢为复数kk2k2k2要kxk必须ky或kz为虚数xyzkzi

5、kz

6、时，可突破衍射极限kxk222kkkkxyz倏逝场(隐失场)kzi

7、kz

8、zkxkxykz强烈的约束场倏逝波又被称为光子隧穿效应倏逝场仅存在于近场区中！是近场光学研究的主要对象之一842014/3/112.为什么用近场光学？传播场关于近场光学•较小的波矢（kxk）λ•打破了衍射极限Illumination•

9、精细的结构信息•局限在近场打破分辨率极限检测倏逝场在近场光学检测93.如何进行光学近场检测？牛顿实验四百年前，牛顿所做的棱镜全反射就显现倏逝波现象。d>λd<λ•适当的物体浸在光学近场中可以将倏逝场转换成传播场。•由于棱镜尺寸的原因，倏逝场可以被检测到但无法被分辨出来，需要具有超分辨率的物体。1052014/3/113.如何进行光学近场检测？近场中小尺寸的物体小尺寸的物体被用来提检测取近场光学信号照明IdIdPEλλPEλλ检测照明收集式近场检测照明式近场检测E.H.Synge,22April,1928113.如何进行光学近场检

10、测？光与物质的相互作用•使用尺寸很小的物体提取局限在近场区的超分辨信息，然后将它忠实地传递到远场检测。Eout=ES+EP+ESP+EPS+ESPS+EPSP+...L.Novotny.Phys.Today,64,47(2011)1262014/3/113.如何进行光学近场检测？关键问题(1)探针尺寸越小越好,小于波长近场光学显微镜技术要点(2)探针与样品间距离越小越好(3)小区域成像,需要扫描“不可能知道两个原子的最初和最终状态，“……”探测系统改变近场，捕捉探针与样品相互作用的信息，而不是样品本身的信息。”L.Novotny.

11、Phys.Today,64,47(2011)Eout=ES+EP+ESP+EPS+ESPS+EPSP+...被测量信号中，大部分信息可以被极大地抑制。13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倏逝波照射,都会产生倏逝波；•(2)产生的倏逝场不服从瑞利判据,它在小于一个波长的距离范围内呈现强烈的局域振荡；•(3)根据互易性原理,借助于小尺寸的物体,可将倏逝场转换成新的传播场并传播；•(4)新的传播场能被远处的探测器所探测。•(5)倏逝场—传播场的转换是线性的:新的传播场如实地再现倏逝场局域的剧烈振荡特性。•

12、(6)为产生二维图像,我们需用一个小尺寸的物体(通常采用锥形光纤的针尖)在样品表面上方扫描。1472014/3/114.扫描近场光学显微镜-SNOM发展过程1928年E.H.Synge第一个突破分辨率极限的构想。1）强