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近場(chǎng)光學(xué)儀器的發(fā)展及應用
目 錄
摘要 1
引言 1
1.近場(chǎng)光學(xué) 1
1.1 光學(xué)顯微鏡的分辨率與衍射極限 1
1.2 近場(chǎng)與遠場(chǎng) 2
1.3 非輻射場(chǎng)與近場(chǎng)光學(xué)的成像原理 3
1.4 光學(xué)隧道效應 4
1.5 物體附近微小區域中的隱失場(chǎng) 近場(chǎng)探測原理 4
2 近場(chǎng)學(xué)顯微鏡 5
2.1 SNOM的基本思想 5
2.2 有關(guān)SNOM的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題 6
2.3 近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）的應用 6
2.3.1 高分辨率光學(xué)成像 6
2.3.2 單個(gè)熒光分子的標記 7
2.3.3 對細胞精細結構的觀(guān)察 7
3 近場(chǎng)光學(xué)儲存 7
3.1 近場(chǎng)光學(xué)儲存的基本思想 7
3.2 近場(chǎng)光學(xué)儲存的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題 8
3.2.1 PSM方案 8
3.2.2 Super——RENS方案 8
結論 9
參考文獻 10
致謝 11
近場(chǎng)光學(xué)儀器的發(fā)展及應用
摘要：近場(chǎng)光學(xué)儀器是基于近場(chǎng)光學(xué)原理的以近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡為主的分析儀器。所謂近場(chǎng)光學(xué)，是研究距離物體表面1個(gè)波長(cháng)以?xún)鹊墓鈱W(xué)現象的新型交叉學(xué)科，基于非輻射場(chǎng)的探測與成像原理。與傳統光學(xué)顯微鏡不同，它突破了傳統的衍射極限，可以在超高光學(xué)分辨率下，進(jìn)行納米尺度光學(xué)成像與納米尺度光譜研究。
本文討論了近場(chǎng)光學(xué)的基本原理、非輻射場(chǎng)的探測與高分辨率的關(guān)系；近場(chǎng)光學(xué)中光學(xué)限閥和隱失場(chǎng)的重要性；以及怎樣獲取近場(chǎng)信息。論文對近場(chǎng)光學(xué)中的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的主要類(lèi)型及相關(guān)的儀器發(fā)展、分辨率、襯度原理做了詳細綜述，并簡(jiǎn)要介紹了近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡在超高分辨率光學(xué)成像、近場(chǎng)局域光譜、高密度數據儲存、生命科學(xué)、單分子光譜和量子器件發(fā)光機制等領(lǐng)域的應用。
關(guān)鍵詞：近場(chǎng)光學(xué)；顯微鏡；隱失場(chǎng)；超高分辨率
Near—field optical instruments development and application
Abstract： Near—field optical instruments is a analytical instruments which is based on the principles of the near—field optics, mostly are near—field optical microscopes. The so-called near-optical, is a new cross - disciplines to study the optical phenomenon within a wavelength of distance to the surface of the objects. It is based on the detection of the non-radiation field and imaging principles. It is different from the traditional optical microscopes, and it broke the traditional diffraction limit, it can do nano-scale optical imaging and nano-scale spectral studies in a high optical resolution.
In this paper, we have discussed the basic principles of field optics, the relation of non-radiation-detection and high-resolution; the essentiality of optical limited and concealing stolen field in near—field optics; how to obtain near—field information; This paper make a detailed overview of the major types of the optical microscopes , the development of correlative equipment, the resolution, the principles of dehunidification, and it outline the applications of near—field optical microscope in the areas such as high-resolution optical imaging, near—field spectrum of part area, high density data storage, and life sciences, single molecular spectrum, quantum apparatus luminous mechanism.
Keywords：near—field optics；microscopes；concealing stolen field；high-resolution
引言
光學(xué)是1門(mén)古老的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。人類(lèi)對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見(jiàn)周?chē)奈矬w？”之類(lèi)問(wèn)題。約在公元前400多年(先秦時(shí)代)，中國的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)知識，它有8條關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線(xiàn)傳播性和針孔成像，并且以嚴謹的文字討論了在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。
自《墨經(jīng)》開(kāi)始，公元11世紀阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀初，詹森和李普希同時(shí)獨立地發(fā)明顯微鏡；1直到17世紀上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀(guān)察結果，歸結為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。
1665年，牛頓進(jìn)行太陽(yáng)光的實(shí)驗，它把太陽(yáng)光分解成簡(jiǎn)單的組成部分，這些成分形成1個(gè)顏色按1定順序排列的光分布——光譜。它使人們第1次接觸到光的客觀(guān)的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。[1]
近場(chǎng)光學(xué)是80年代在小尺度與低維空間的推進(jìn)與掃描探針顯微技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的。近場(chǎng)光學(xué)的發(fā)展突破了傳統的光學(xué)分辨極限。給我們探索微觀(guān)世界提供了先進(jìn)的觀(guān)察條件。1984年，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的原型“光學(xué)聽(tīng)診器”的發(fā)明，標志著(zhù)人類(lèi)第1次突破了光學(xué)顯微鏡的衍射極限分辨率。自1992年用單模光纖做成光學(xué)探針以及利用切變力進(jìn)行探針針尖至樣品表面距離測控后，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡開(kāi)始被作為1種用于觀(guān)察和研究亞波長(cháng)物體的外觀(guān)形貌和內在性質(zhì)的新型光學(xué)儀器。在此后的短短幾年內，在納米和介觀(guān)尺度上，它被廣泛應用到物理、化學(xué)、生物、醫學(xué)和信息產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。
1.近場(chǎng)光學(xué)
1.1 光學(xué)顯微鏡的分辨率與衍射極限
傳統的光學(xué)顯微鏡由光學(xué)鏡頭組成。由于可見(jiàn)光的成像直接被人眼睛所接收，同時(shí)光學(xué)顯微鏡易于操作，造價(jià)較低。因此，成為實(shí)驗觀(guān)察與檢測的常規工具，人們可以方便地將被觀(guān)察物體放大至上千倍以獲得細節信息。同時(shí)還可以利用光的偏振.吸收、反射和光譜特性等進(jìn)行綜合性研究。
然而，光學(xué)成像的放大倍數是不能任意增大的。如果要將光學(xué)放大倍數提高到上千倍以上時(shí)將受到1個(gè)嚴重的障礙——光學(xué)衍射極限。由于光波的衍射效應傳統光學(xué)顯微鏡的分辨率不能超過(guò)光波長(cháng)的1半。這個(gè)規律是1個(gè)多世紀前由德國科學(xué)家阿貝(Frnst Abbe)根據衍射理論推導出來(lái)的。然后，瑞利(Rayleigh)歸納為1個(gè)常用公式；[2]瑞利判據：
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