5近场光学显微镜

2020/6/251近场光学显微镜显微镜分辨率提高历史示意图2近场光学显微镜突破分辨率极限的光学显微镜构想1928年第六卷356~362页，发表了新型显微镜的构想《Phil.Mag.》英国的申奇（E.H.Synge）认为该新型显微镜的分辨率极限可达0.01m。3近场光学显微镜申奇的新型显微镜构想示意图4近场光学显微镜构造和操作要点为：在不透明的平板或薄膜上，制作出10nm的孔，放在距离一个平整度达几纳米的样品下方或上方；入射光通过小孔照明样品，透过样品的光被显微镜聚焦到光电池上；保持入射光强度不变，通过每步10nm移动样品，进行网格扫描，透过率不同会得到一幅图象5近场光学显微镜技术上的困难：光源必须非常强小孔和样品间距离纳米级调节，10纳米移动制备出大小10纳米量级的小孔当时不具备实现这种显微镜的条件文章被遗忘，1990年才重新提起6近场光学显微镜突破光学显微镜分辨极限率的几个里程碑1950年，R.J.Moon建议扫描针孔，得到更大的放大倍数1956年，J.A.Okeefe(奥基弗)建议近场光学显微镜1972年，E.A.Ash研制成功微波近场光学显微镜波长：3cm7近场光学显微镜突破光学显微镜分辨极限率的几个里程碑1982年，SPM(扫描探针显微镜)发明标志着纳米测控实现1984年，IBM苏黎世研究实验室的D.W.Pohl，实心石英棒端面制备出纳米透光小孔，分辨率达到了20分之一波长。扫描近场光学显微镜、近场扫描光学显微镜8近场光学显微镜1989年，R.C.Reddick(雷蒂克)研制了另一类显微镜光子扫描隧道显微镜突破光学显微镜分辨极限率的几个里程碑实用化过程1986年，中空微导管代替石英玻璃棒，得到了好的结果1991年，单模光纤代替中空玻璃微导管1993年，推出商品9近场光学显微镜衍射效应及其对分辨率的限制分辨本领：分辨率，最近邻两个物点间的距离或角度称为分辨极限衍射效应与瑞利判据=0.61/NA显微镜分辨率提高的传统途径减小波长增加数值孔径10近场光学显微镜海森伯测不准原理与瑞利判据突破分辨率衍射极限的可能性海森伯测不准原理和海森伯显微镜共轭动力学变量是不能同时确定的prkp普朗克-爱因斯坦关系1kr1xkx三维一维11近场光学显微镜海森伯显微镜实验示意图/(2sin)x瑞利判据sin22pppxx由图可知xpx结果为：12近场光学显微镜瑞利判据是测不准关系的一种表述从测不准关系导出瑞利判据波矢1k和2k在x方向的差值sin22kkkxx最大值：/22max,kkx1max,minxkx最小2/minx相距为x的A、B两点的分辨问题13近场光学显微镜分辨率衍射极限的突破共轭量的测量精度不受限制，只要另一个不作要求1max,minxkx14看在什么情况下，可以突破衍射极限一般认为：kkkx无法突破衍射极限若：kkkx这时：kkkxx22由测不准关系得到：2/x近场光学显微镜15色散关系2222zyxkkkk222zyxkkkk要kkx必须ky或kz为虚数jzikk在时，可突破衍射极限Kz强烈的局域场近场光学显微镜16分辨率衍射极限与隐失场)(exp),,(),(tzkykxkizyxUtrUzyx将突破衍射极限的条件代入得到])(exp[),,(),(zktykxkizyxUtrUjyx在x，y方向传播，沿z方向指数衰减的隐失场隐失场只存在于（x，y）面的近场区近场指的是隐失场，近场一词不十分科学？近场光学显微镜17近场光学显微镜分辨率突破衍射极限只能在隐失场中实现突破分辨率衍射极限的超分辨的成像和探测的信息，只能从隐失场中获取。近场区隐失场的特点是什么？18近场光学显微镜偶极辐射与隐失场)exp())(/sin()exp()1)(/sin()exp()1)(/cos(22230223030ikRRkikRRPBikRRkikRRPEikRikRRPER偶极子产生的电磁场在远场和近场区可以简化19近场光学显微镜R时,电磁场变为)exp()/sin(002ikRRPkBEER典型的横波场R和Rd时,203030/sin)(/sin/cos2RPikBRPERPER20近场光学显微镜单位立体角内辐射的时间平均功率Rsin3204PkcddPR0PddP无论从场的空间分布,还是辐射功率角度看近场和远场有很大的差别21近场光学显微镜远场区电磁场强度随R成反比,电场强度和功率在0和360度时为零;近场区电场强度随R三次方成反比,是隐失场,在0和360度时最大.对径向矢量R而言,无论近场还是远场,B只有横向分量,电场在近场横向纵向分量都有,远场只有横向分量.近场是准静态场,磁场比电场小很多倍,近场区是电场远场是辐射场,近场是非辐射场22近场光学显微镜光栅衍射与隐失场空间频率:傅立叶光学与角谱方法由场U(x,y,0)在(x,y,z)引起的光波场为)/()/()])(/2(exp[),/,/(),,(ddyxizAzyxU23近场光学显微镜])1)(/2(exp[)/,/(),/,/(2/1220ziAzA光栅周期大于波长的情况0,1222上式为)](exp[)/,/(),/,/(0ziAzA光栅周期小于波长时,]exp[)/,/(),/,/(0ziAzA0,1222上式为存在隐失场上式有一定的误差？24近场光学显微镜全反射与隐失场全反射时有隐失场,但与界面的精细结构和起伏无关和两种介质的折射率和入射角有关25近场光学显微镜隐失场的特征与物质的精细结构隐失场与尺度上小于波长的光源或物体相关超分辨信息包含在隐失场中隐失场是离开物体或光源表面在空间急剧衰减的场结构越精细,电磁场的局域越强烈隐失场不向外辐射能量26近场光学显微镜近场探测的核心问题传统的光场探测技术是远场区把含有超分辨率信息的隐失场转变为携带信息的可进行能量输运的传播场,使放在远处的探测或成像器件可以接受到隐含在隐失场中的超分辨信息是近场探测的核心问题27近场光学显微镜近场探测的基本原理存在于隐失场中的偶极子,将感应产生包含隐失场和辐射场的电磁波.通过在隐失场中放置可看作偶极子的物体,就可以通过后者,将超分辨信息传到远处的探测器上.光线可逆原理:用含有超分辨的隐失场照射具有小于一个波长的精细结构,如光栅等,就可以通过后者将隐失场转变为含有超分辨率的传导波28近场光学显微镜近场光学显微镜技术要点探针尺寸越小越好,小于波长探针与样品间距离越小越好小区域成像,要扫描29近场光学显微镜近场光学显微镜的基本结构30近场光学显微镜扫描光子隧道显微镜工作原理和结构示意图31近场光学显微镜不同工作模式的近场光学显微镜32近场光学显微镜近场光学显微镜的主要部件光学探针探针样品间距离监控光路33近场光学显微镜光学探针小孔探针：光纤导光型探针、非光纤导光型探针无孔探针：无孔导光探针、发光探针探光探针（透光悬臂探针、光子探测器探针）散射探针等离子体激元探针混合光学探针34近场光学显微镜探针与样品间距离的测控除SPM技术外，还有新的方法隧穿电流强度测控技术近场光强度测控技术切变力强度测控技术其它测控技术35近场光学显微镜近场光学显微镜应用超分辨成像:可见光成像,偏振光成像近场光谱学近场光电导近场光刻写近场光存储36近场光学显微镜37近场光学显微镜反射模式3839透射模式4041收集模式42近场光学显微镜荧光模式43光谱模式近场光学显微镜44近场光学显微镜剪切力模式45剪切力模式4647LowTemperatureNear-FieldOpticalMicroscope(NSOM)48SingleInGaAs/GaAsQDsspectroscopyperformedatlowtemperature(35K)byusingthecryogenicNear-fieldScanningOpticalMicroscopy(NSOM).ThesampleconsistsinselforganizedInGaAs/GaAsquantumdotsgrownbyMetalOrganicVaporPhaseEpitaxy(MOVPE,A.PassaseoNNL-INFMLecce).Inordertoisolateasingledotstructurea200*200nm2and30nmheightnano-mesawasdefinedbyElectronBeamLithography(EBL)atthecenterofa6*6mm2window.Thesingledotluminescencewereexitedinnearfieldconditionbythe514.5nmlineofanArgonlaserandcollectedinfarfield.Theluminescencewasdispersedbya0.3moffocallengthspectrographequippedwithacooledCCD.Thespatialandspectralresolutionwereofabout200nmand0.4meVrespectively.49Transmission(left)andfluorescence(right)imagesofthesamesample.LatexbeadsØ93nmarelabelledwithtwodifferentdyes.Therightimagewasmadewithaninterferencefilterforoneofthetwodyes(647nm).Henceonlyfeatureswhicharelabelledwiththecorrespondingdyearevisible(blue);beadslabelledwiththeotherdyeremaindark(green).50Hexagonalringsofaluminiumparticles(onglass):afterremovalof220nmdiam.latexballsimagedusingshear-forceSFMdetection(left)andtransmissionmodeSNOM(right).51DRAMafterpolishing(conventionalopticalmicroscopy).ReflectionmodeSNOMrevealingtheelectricalcontactsundertheSiO2layer.Shear-forcetopographyimagingonlyshowstwoofthemetallinesandcontaminationfromthepolishing.(3.53x3.53µm2)52Nano-colloidsandpowdersexhibittechnologicallyimportantproperties.ReflectionmodeSNOMofTiN(5%)/Al2O3nano-colloidsrevealsacleardifferencebetweentopographyandopticalsignal,whichcouldbeinterpretedasmaterialscontrast;2µmx2µm.Opticalresponse(reflectionmodeSNOM)Topography(Shear-ForceSFM)53ImagesofbacteriabredtoproduceGFP(GreenFluorescentProtein).Left:AFMshear-forcetopography.Right:Transmis