近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡是對(duì)于常規(guī)光學(xué)顯微鏡的革命。它不用光學(xué)透鏡成像,而用探針的針尖在樣品表面上方掃描獲得樣品表面的信息。分析了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡與近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡成像原理的物理本質(zhì)和兩種顯微鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)。介紹了光纖探針的制作方法。重點(diǎn)討論了近場(chǎng)探測(cè)原理、光學(xué)隧道效應(yīng)及非輻射場(chǎng)的性質(zhì)。

　　傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡是顯微鏡家族里*年長(zhǎng)的成員,迄今已有幾百年的歷史。它曾經(jīng)是觀測(cè)微小結(jié)構(gòu)的**手段。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡以光學(xué)透鏡為主體,利用透鏡將物體放大或成像。一般地講,單個(gè)透鏡能將物體放大幾十倍,使用透鏡組合幾乎可放大到近千倍。光的衍射效應(yīng)限制了光學(xué)顯微鏡進(jìn)一步提高分辨力的可能性。這就是瑞利分辨力極限。

　　1982年,瑞士蘇黎世IBM的G.Binning和H.Rohrer[1]等發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM),極大地提高了觀測(cè)靈敏度,其橫向分辨力達(dá)到0.01nm,縱向分辨力為0.001nm,比傳統(tǒng)的電子顯微鏡提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。這是顯微鏡發(fā)展史上的一個(gè)重要的里程碑。以后相繼出現(xiàn)了同STM技術(shù)相似的新型掃描探針顯微鏡(SPM)[3]。

　　SPM不采用物鏡成像,而用探針的針尖在樣品表面上方掃描來(lái)獲得樣品表面的信息。不同類型的SPM主要表現(xiàn)在針尖的特性不同、針尖與樣品之間的相互作用性質(zhì)不同。以原子力顯微鏡(AFM)為代表的掃描力顯微鏡(SFM)通過(guò)控制、檢測(cè)針尖與樣品間的相互作用力(如:原子間的斥力、摩擦力、彈力、范德瓦耳斯力、磁力和靜電力等),分析研究樣品表面的性質(zhì)。

　　AFM的橫向分辨力可達(dá)2nm,縱向分辨力為0.01nm,超過(guò)了普通掃描電子顯微鏡的分辨力,而AFM對(duì)工作環(huán)境和樣品制備的要求卻很少。

　　掃描隧道顯微鏡(STM)的成果很快被應(yīng)用到光學(xué)領(lǐng)域,極大地推動(dòng)了近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)的發(fā)展。1984年,瑞士蘇黎世IBM的D.Pohl等人利用微孔徑作為微探針制成了**臺(tái)近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡。同時(shí),美國(guó)康奈爾大學(xué)的E.Betzig等也制成了用微管(micropipette)作探針的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡[5]。隨后,各種各樣的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡逐漸走向成功,開(kāi)始應(yīng)用于表面超精細(xì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)現(xiàn)象觀測(cè)校樣。文中還介紹了近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的*新動(dòng)態(tài)等。

傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡概述

　　傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡由光學(xué)透鏡組成。利用材料的折射率和透鏡的曲率將被觀察物體放大以獲得其細(xì)節(jié)信息。然而,光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)不能任意增大,它要受到光學(xué)衍射極限的限制。

　　德國(guó)物理學(xué)家阿貝(E.Abbe),用衍射理論預(yù)言了分辨力極限的存在。以后瑞利(L.Rayleigh)用簡(jiǎn)明的公式表述如下:

　　其中r為兩點(diǎn)間的距離,λ為光束的波長(zhǎng),n為介質(zhì)的折射率,θ為將光束收集和聚焦到探測(cè)器的透鏡的半角孔徑。它規(guī)定了兩點(diǎn)剛好被分辨的距離,該量由成像系統(tǒng)參數(shù)所決定。上述不等式說(shuō)明為提高分辨力(即減小距離r),只能夠通過(guò)以下三個(gè)途徑:(1)選擇更短的波長(zhǎng)(若選擇uv電磁輻射、x射線、或電子束會(huì)更有效)。(2)為提高n,用折射率很高的材料工作。這是浸油顯微鏡的原理,由Amici在19世紀(jì)中葉發(fā)明。(3)增大顯微鏡的孔徑角。電子顯微鏡用電子束代替光束,使得分辨力大大提高。應(yīng)該注意到瑞利判據(jù)是建立在傳播波的假設(shè)下,如果能夠探測(cè)非輻射場(chǎng),那么就能期望規(guī)避瑞利判據(jù)而且完全突破衍射壁壘的限制。

　　我們知道,通過(guò)任何成像系統(tǒng)的信息變換都可由一個(gè)表征物體特征的函數(shù)與表征儀器性質(zhì)的儀器函數(shù)之乘積表示。前一個(gè)函數(shù)與物體的空間頻率相關(guān),后一個(gè)表示物體對(duì)每一個(gè)空間頻率的變換系數(shù)。一般地說(shuō),對(duì)低空間頻率變換系數(shù)接近于1,高空間頻率時(shí)它就下降到0。由此,可以確定一個(gè)截止頻率,超過(guò)它時(shí)沒(méi)有信息被傳輸。這個(gè)儀器函數(shù)叫做傳遞函數(shù),不管成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何以及怎樣照明物體,它是**的和完全確定的。換句話說(shuō),知道了物體結(jié)構(gòu)和傳遞函數(shù)就可能十分精確地預(yù)言像的強(qiáng)度分布。

　　對(duì)于成像系統(tǒng)能夠定義**一個(gè)傳遞函數(shù)。由這個(gè)性質(zhì)可引出如下結(jié)論:物體與探測(cè)器(這里就是顯微鏡物鏡)之間沒(méi)有任何相互作用。換句話說(shuō),物體發(fā)射的光在成像時(shí)沒(méi)有(或者幾乎很少)受到物境的擾動(dòng)。當(dāng)然,這個(gè)性質(zhì)也可以被理解為:因?yàn)閭鞑?光從物體到達(dá)透鏡。但從物境到達(dá)物體的光的數(shù)量極其微弱。用數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)我們可以說(shuō),在普通光學(xué)顯微鏡中信息傳遞

　　本質(zhì)上是非對(duì)稱的:信息只從物體到達(dá)探測(cè)器。若改變探測(cè)一收集系統(tǒng),我們就改變了系統(tǒng)的濾波特性,但是物與像的關(guān)系保持線性。這個(gè)性質(zhì)非常重要,它使我們能夠期望得到任意精度的像。

近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡原理

　　我們可將成像過(guò)程理解如下:當(dāng)一個(gè)光源發(fā)射的光子或電子投射到目標(biāo)物體后,經(jīng)過(guò)反射,被某種探測(cè)器所俘獲或接收(如觀察者的眼睛或照相機(jī))。由于反射粒子的軌跡和數(shù)量與物體的性質(zhì)有關(guān),粒子束就攜帶了關(guān)于物體特性的信息。我們稱在一個(gè)目標(biāo)上的投影為“像”。在物理上,物體和像是極其不同的:物體一般是三維的;而像通常是與物體結(jié)構(gòu)相關(guān)物理量的二維投影,因?yàn)榧o(jì)錄介質(zhì)是二維的。這個(gè)物理量一般是光強(qiáng),因?yàn)樘綔y(cè)器只對(duì)光強(qiáng)敏感。我們?nèi)粲门c物體相關(guān)的光場(chǎng)來(lái)代替物體本身,就可能研究物場(chǎng)與像場(chǎng)關(guān)系,即物場(chǎng)強(qiáng)度與其在像平面上強(qiáng)度之間的關(guān)系。然而,首先需要回答的問(wèn)題是:物體結(jié)構(gòu)與物體的光場(chǎng)之間是什么關(guān)系?原則上,麥克斯韋方程組提供了研究這個(gè)問(wèn)題的途徑:在外部電磁場(chǎng)作用下,物體內(nèi)部的電子電流或電荷密度的分布變化;振蕩的電荷和電流又會(huì)引起電磁場(chǎng)的變化,使其能夠從 物體表面?zhèn)鞑サ酵獠靠臻g。根據(jù)連續(xù)性原理,似乎可邏輯地推理得出以下結(jié)論:由極其靠近物體的空間場(chǎng)分布可以還原出物體表面的電荷和電流的分布。由于電荷或電流分布僅在極小的距離上變化(一般小于波長(zhǎng)的距離),我們同樣假設(shè)“極其靠近物體的空間場(chǎng)”也只在這樣小的距離上變化。

　　然而,這個(gè)推理與實(shí)際觀測(cè)和分析的結(jié)果矛盾。事實(shí)上,我們能夠探測(cè)的*小距離總是要大于半個(gè)波長(zhǎng)。直到目前為止,所有的觀察、分析和測(cè)量都是遠(yuǎn)離物體所作出的(至少大于幾個(gè)波長(zhǎng)的距離)。所以,我們應(yīng)該區(qū)分兩個(gè)范圍不同的場(chǎng):**個(gè)場(chǎng)從物體表面到幾個(gè)納米的距離叫做近場(chǎng);第二個(gè)場(chǎng)是近場(chǎng)以外的區(qū)域叫做遠(yuǎn)場(chǎng),它從近場(chǎng)一直延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)。遠(yuǎn)場(chǎng)是常規(guī)探測(cè)儀器如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡以及其他儀器所能探測(cè)的光場(chǎng)。關(guān)于近場(chǎng),早在一個(gè)世紀(jì)以前就知道其結(jié)構(gòu)并不簡(jiǎn)單。它包含兩個(gè)分量:一個(gè)分量能夠傳播,另一個(gè)分量局限于表面且急劇衰減,被稱為倏逝波(evanescent wave)。后一個(gè)分量是非均勻波,其性質(zhì)不僅與物體的表面、更與物體的材料緊密相關(guān)。它因物體的存在而存在,不能在自由空間存在。