近场光学理论及近场光学显微介绍
近场光学扫描显微原理
近场光学扫描显微原理
近场光学扫描显微技术是一种利用近场摄影和透射光学进行影像采集、计算机处理、以及数据分析，用以测定微米级尺度结构表面形貌与力学性质的方法。
它将色散成像和衍射技术相结合，通过近场把现象高度放大，使得以微米级尺度下完整图像可以采回，这也使得它能够测量更加精细的结构形貌与力学性质。
具体来说，近场光学扫描显微技术所收集的影像可以被应用于表面结构的三维重建、材料结构与力学性质的测量、检测微米维度的表面缺陷以及操纵细胞体积的分析。
近场光学
第十九章光学显微镜、近场光学显微镜与近场光学第三节近场光学一、超分辨与近场光学概论（一）细光束的极值1、海森伯不确定性原理2、传输光束中光子的空间不确定性极值（二）突破分辨极限成像的关键（三）近场光学的定义二、近场光学显微镜(NOM)（一）NOM的发展历史1、早期NOM的设想与研究2、扫描隧道显微镜（STM）的发明促进A-SNOM发展3、尖散射型扫描近场光学显微镜（S-SNOM ）4、隧道结光发射扫描近场光学显微镜（TE-SNOM）5、光子扫描隧道显微镜（PSTM）（1）早期的光子扫描隧道显微镜（PSTM）（2）原子力与光子扫描隧道组合显微镜（AF/PSTM）（二）NOM综述1、NOM基本类型（1）基本类型（2）基本结构（3）有代表性的研究成果（4）NOM的适用范围2、NOM超分辨成像的基本条件（1）隐失光成像（2）超分辨尺度的光探测尖（3）光探测尖与样品表面间距的精确反馈控制（4）三维超衍射极限精度的扫描机构和高灵敏度记录系统3、NOM的产业化现状三、近场光学理论模拟方法（一）理论基础与方法1、近场、远场和隐失波、传输波概念的数学表述2、理论基础与其早期的研究3、近场光学理论方法（二）时域有限差分法1、时域有限差分法特点2、叶（Yee）氏网格3、麦克斯韦（Maxwell）方程的差分形式4、数值稳定性问题5、数值色散问题6、吸收边界条件（1）莫尔（Mur）二阶吸收边界（2）PML理想匹配层吸收边界7、散射场计算方法（1）总场和散射场方法（2）分离场公式8、色散介质中的时域有限差分方程(FD)2TD9、举例（1）A-SNOM实验结果（2）S-SNOM模拟结果（3）PSTM模拟演示（三）格林并矢方法1、李普曼-施温格（Lippmann-Schwinger）积分方程2、求解李普曼-施温格积分方程（1）介质样品“OPTICS”字符的PSTM 等高光场分布模拟（2）金属银膜样品“OPTICS”字符的PSTM等高光场分布模拟（四）高频电磁场有限元方法1、有限元方法解麦克斯韦方程2、伽略金方法3、总场方法4、举例（五）多重多极子方法1、多重多极子原理2、举例四、等离子体激元光学（Plasmonic Optics）（一）引言（二）表面等离子体激元（三）表面等离子体极化激元（SPP）1、SPP定义与产生机理2、SPP银膜最佳厚度与退相位效应（defaceing）3、SPP光环实验（四）表面等离子体激元应用与前景1、SPP化学、生物分子传感器2、光纤SPR 传感器3、近场超衍射极限透镜4、表面等离子体极化激元光子晶体5、SPP开拓微纳集成光子学技术（五）SP的传输长度和SP波导五、金属光学常数（一）铜、银、金的光学常数（二）金属自由电子理论概要与复介电常数1、杜鲁德（Drude）的自由电子理论概要2、金属的复介电常数参考文献第三节近场光学一、超分辨与近场光学概论（一）细光束的极值1、海森伯不确定性原理传统（透镜式、传输光）光学显微镜的有效放大倍率是有限的，它取决于成像的衍射极限。
近场光学显微镜介绍
近场光学显微镜1.概述新型的近场光学显微镜的出现，使人们的视野拓宽到波长的十分之一以下，即纳米尺度。
在近场光学显微镜中，采用孔径远小于光波长的探针代替光学镜头。
当把这样的亚波长探针放置在距离物体表面一个波长以内，即近场区域时，通过探测束缚在物体表面的非辐射场，可以探测到丰富的亚微米光学信息。
随着扫描探针显微学、微弱光信号探测技术的发展，人们可以制备孔径小于50 nm 的光纤探针，并且精确地在样品表面几十纳米以内稳定、可靠地进行光学信息的扫描成像，即扫描近场光学显微镜，其光学分辨率达到波长的几十分之一。
由于光子具有一些特殊的性质，如没有质量、电中性、波长比较长(与电子相比较)、容易改变偏振特性、可以在空气及许多介电材料中传播等等，近场光学在纳米尺度观察上起到其他扫描隧道显微镜、原子力显微镜所不能取代的作用，引发了近场光学显微镜在纳米尺度光学成像、纳米尺度光学微加工与光刻、超高密度信息存储、以及生物样品的原位与动态观察等一系列研究。
在这个领域中，另一个新的发展是近场光学技术与近场光谱及时间分辨的结合。
人们不但能够分辨单一的分子，并且能得到单一分子发出的荧光光谱及与时间分辨(10 - 15s)相结合的介观体系信息。
同时，也提出了近场条件下分辨率、衬度、偏振及光的传播特性的新的理论问题。
2.近场光学显微镜的原理传统的光学显微镜由光学镜头组成，可以将物体放大至几千倍来观察细节，由于光波的衍射效应，无限提高放大倍数是不可能的，因为会遇到光波衍射极限这一障碍，传统的光学显微镜的分辨率不能超过光波长的一半。
比如，以波长λ=400nm的绿光作为光源，仅能分辨相距为200nm的两个物体。
实际应用中λ>400nm，分辨率要更低些。
这是因为一般的光学观察都在距离物体很远的位置（>>λ）。
近场光学显微镜根据非辐射场的探测和成像原理，能够突破普通光学显微镜所受到的衍射极限，可以在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。
近场光学显微镜
近场光学显微镜传统光学显微镜(即远场光学显微镜)是显微镜家族中年代最久远的成员，它曾是观测微小结构的唯一手段。
传统光学显微镜由光学透镜组成，利用折射率变化和透镜的曲率变化，将被观察的物体放大，来获得其细节信息。
然而，光的衍射极限限制了光学显微镜分辨力的进一步提高。
由瑞利分辨力极限可知，光学显微镜的放大倍数是不能任意增大的。
瑞利判据建立在传播波的假设下，如果能够探测携带物体细节信息的倏逝波，就能规避瑞利判据，突破衍射极限的限制。
近场光学既是突破衍射极限的一种有效光学手段，它是随着科学技术向小尺寸和低维空间推进所出现的光学领域中的一个新型交叉学科，其研究对象是距离物体表面一个波长（几个纳米）以内的光学现象。
近场光学显微术是一种新型超高分辨率显微成像技术，是探针技术与光学显微技术相结合的产物，是近场光学中的一个重要组成部分。
近场光学成像不同于经典光学，它所涉及的是一个波长范围内的光学理论和现象。
所谓的“近场”区域内包含：（l）辐射场:是可向外传输的场成分；（2)非辐射场:是被限制在样品表面并且在远处迅速衰减的场成分。
由于近场波体现了光在传播时遇到空间光学性质不连续情况下的瞬态变化，所以可以通过探测样品的倏逝波来探测样品的亚波长结构和光学信息。
近年来，近场光学显微术在理论和实践上都已取得了突破性的发展。
图1 显微镜分辨率提高历史示意图近场光学显微镜由探针、信号传输器件、扫描控制、信号处理和信号反馈等系统组成。
近场产生和探测原理：入射光照射到表面上有许多微小细微结构的物体上，这些细微结构在入射光场的作用下，产生的反射波包含限制于物体表面的倏逝波和传向远处的传播波。
倏逝波来自于物体中的细微结构（小于波长的物体）。
而传播波则来自于物体中粗糙的结构（大于波长的物体）后者不含任何物体细微结构的信息。
如果将一个非常小的散射中心作为纳米探测器（如探针)，放在离物体表面足够近的地方，将倏逝波激发，使它再次发光。
这种被激发而产生的光同样包含不可探测的倏逝波和可传播到远处探测的传播波，这个过程便完成了近场的探测。
近场光学
NSOM光纤探针
NSOM的应用实例
高分辨率光学成像 局域光谱
高密度信息储存
生命科学应用及单个分子探测
Thanks
观察的区域
照明光源的尺度和照明方法 成像的原理
分辨率
衍射极限
传统光学显微镜的衍射极限
瑞利判据 ：
1.22 r 2n sin
r
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
规定了两点刚好被分辨的距离
r
NSOM原理
利用探针将非辐射场中的倏逝波转化为传播波
NSOM结构
NSOM光纤探针
传导区—传输信号
微米区—连接部分
纳米区—光针部分
Near-field optical scanning microscopy
武亮 16720118
近场光学显微镜
近场光学的核心问题是探测束缚在物体表面的非辐射场
处于近场区域的非辐射场内包含物体结构的细节信息 由于这个场随着离开表面距离呈指数式衰减
因而在远场，即常规的光学观 察中无法探测到
传统光学显微镜与NSOM的区别
近场光学显微技术原理及应用
Tip is approached
Tube image width is ~ 70 nm (limited only by
size of the tip)
本章小节
1、基本概念： 近场：
（4） （5）
一、辐射场和隐失场
3、光栅衍射场和精细结构
y
•1)光栅周期大于波长（d>λ）
d
1/v x
u2
v2
1
2
2 2 1
1/u
A(
,
,
z)
A0
(
,
)
exp[i
2
(1 2 2)z]
（5）改写A(
,
,
z)
A0 (
,
) exp[i(z)，] 实数
(z)
2）光栅周期小于波长（d<λ）
隐失场的表达式 ：
E(x,
y,
z,
t)
A(
x,
y,
z)
exp[-i(k
x
x
kx
y)]
exp(
-z Rd
)
二、隐失场理论 1、隐失场的特征
隐失波 (evanescent wave，衰逝波，倏逝波等) 尺寸小于波长的信息，包含在隐失场中； 隐失场离开物体表面在空间急剧衰减； 隐失场是非辐射场或非传播场。
三、近场光学显微镜概述 2、 提高显微镜分辨率的历史概貌
分辨率/nm 1000 100 10 1
0.1
1800 1850 1900 1950 2000 年
传统光学显微镜 电子显微镜 场离子显微镜 扫描隧道显微镜 近场光学显微镜
三、近场光学显微镜概述
3、近场光学显微镜的优点： ✓ 样品不一定必须是导体，也可以是非导体或
近场光学1
第八章
近场光学
胡国华 东南大学先进光子学中心
1
第一节：
近场光学及近场光学显微镜 概述
2
一、近场光学及近场光学显微镜概念
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：从近场以外一直延伸到无穷远的区域。
3
一、近场光学及近场光学显微镜概念 1、近场光学：
E ( x, z Z ) du exp[i
2 2 ux]exp[i (1 u 2 )(Z )]
du '4 E0 cos u0' d (sin u ' L / u ')exp[i
2 2 (1 u '2 ) ]sin(u u ')l /(u u '))exp[i (u u 2 ) x]
三、近场光学显微镜概述
用近场光学显微镜观察硅表面
22
23
三、近场光学显微镜概述
（a）是美国标准局用原子力显微镜检测直径为100nm聚 乙烯材料的像，分辨率为1nm （b）采用近场光学显微镜观测的影像，分辨率为20nm。24
三、近场光学显微镜概述
电解液中得到的硫酸根离子吸附在 铜单晶(111)表面的图象
一、辐射场和隐失场
E( x, y, z)=A( x, y, z)exp[-i(kx x kx y kz z)]
• 隐失场的表达式 ：
-z E ( x, y, z, t ) A( x, y, z )exp[-i(k x x k x y)]exp( ) Rd
36
二、隐失场理论
1、隐失场的特征
0.610 y n sin
近场光学显微镜
光学显微镜的分辨率
• 如何克服近场光学显微镜在成像过程中的光学衍射极
限，以实现更高的分辨率
02
提高成像速度和灵敏度
• 如何实现光纤探针的更快扫描速度，以提高近场光学显
微镜的成像速度
• 如何提高近场光学显微镜的检测灵敏度，以实现对微弱
信号的准确检测
03
拓展成像功能和应用领域
• 如何开发新的成像模式和技术，拓展近场光学显微镜的
在生物科学领域，近场光学显微镜有
望实现对生物分子和细胞过程的更深
入、更精细的研究
在材料科学领域，近场
光学显微镜有望实现对
材料性能的更准确、更
快速的评估和优化
在医学领域，近场光学
显微镜有望实现对疾病
发生、发展和治疗的更
早期、更精确的监测和
评估
近场光学显微镜面临的技术挑战
01
提高成像分辨率
• 如何实现光纤探针的更高精度和更小尺寸，以提高近场
分辨率
• 近场光学显微镜的分辨率低于电子显微镜，但高于光学显微镜 -这使
得近场光学显微镜能够在一定程度上观察到电子显微镜所无法观察到的
细微结构
成像方式
• 近场光学显微镜利用光纤探针在样品表面进行扫描，实现对样品表面
形貌和光学性质的成像
• 电子显微镜利用电子束对样品进行成像，可以实现样品的微观观察
应用领域
光信号、拉曼信号等
• 这使得近场光学显微镜在生物科学和材料科学等领域具
有广泛的应用前景
03
独特的成像方式
• 近场光学显微镜利用光纤探针在样品表面进行扫描，实
现对样品表面形貌和光学性质的成像
• 这种成像方式使得近场光学显微镜具有很高的灵活性和
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4.2有限元法 有限元法
有限元方法是在数学上由R.Courani首先提出的， 一种以微分方程为基础来求数理边值问题的计 算方法。而后在R.w.clough的著作中网正式被 命名。 优点主要有:①离散单元的灵活性，它可以较精 确的模拟各种复杂的几结构，并通过选择取样 点的疏密来适应场分布的不同情况，在保证计 算精度的同时，增加过多的计算量;②有限元方 程组的系数矩阵是稀疏的、对称的，有利于代 数方程的求解。
2.金属平面上的表面等离子体模式 金属平面上的表面等离子体模式
在金属与介电物质（或是真空）之间形成的介面附近， 金属表面的电荷密度发生集体式电偶极振荡现象（如图 所示），我们称为表面等离子体振荡（surface plasma oscillation）。
Z<0是金属部分，Z>0是介电材料或是真 空的部分。电场强度离开介面后会呈指数 函数衰减的情况。 TE 电场只存在于平行于分界面的方向上 TM 磁场只存在于平行于分界面的方向上 传统的探测手段不能探测很快衰减的高 频波，近场光学显微镜就可以在一定程度 上解决这个问题
总结
本文从总体上介绍了表面等离子体波的特 性以及研究此问题的近场光学。描述了近 场光学显微镜的构成以及其典型工作方式。 之后从麦克斯韦理论出发，对近场问题进 行了详细的理论分析，进而引入现在常用 的数值计算方式。
1.表面等离子体介绍
表面等离子体（surface plasmon）是存在于金属与介 电质界面上的表面电磁波。在二十世纪初，就已经在金 属光栅的反射光谱中观察到与表面等离子相关的光学现 象。表面等离子共振的高灵敏度，也被广泛利用于化学、 生物感测上。表面等离子体模式会局限在金属表面附近， 形成高度增强的近场（highly enhanced near-field）。 例如表面增强拉曼光谱学（Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS），长久以来，光学元件受限于光 的衍射极限（optical diffraction limit），在光学元件的 制作上一直未能达到极小、极高密度、极高效率的目的。 人们对纳米尺度下的光学现象产生了极大的兴趣，引发 了对纳米光学（nano-optics）与纳米光子学 （nanophotonics）的热烈研究。
3.近场光学显微镜 近场光学显微镜
传统光学显微镜以透镜为成像的核心元件，然 而由于其工作距离总是大于探测光波波长，分 辨率受衍射极限的限制。 1881年，英国人LRaleigh将德国人abbe的空间 分辨率极限表示为瑞利判据，随着时代的进步 科技的发展，所以另一种光学显微镜—近场光 学显微镜应运而生，其成像原理基于电磁场理 论，并且能够突破传统的光学衍射极限，使探 测达到纳米尺度。
4.1时域有限差分法 时域有限差分法(FDTD) 时域有限差分法
时域有限差分(FDTD)方法在1966年由 K.s.Yee提出，该方法直接将有限差分式 代替麦克斯韦时域场旋度方程中的微分式， 得到关于电磁场分量的有限差分式，用具 有相同电磁参量的空间网格去模拟被研究 体，选取合适的场初始值和计算空间的边 界条件，可以得到包括时间变量的麦克斯 韦方程的四维数值解。
1928年，E.H.Synge在《Phil.Mag.》上提出:利 用小于波长的光学孔径作为光源，并在探测距 离也小于光波长的条件下通过扫描样品光点强 度，来实现超衍射极限分辨。 在1972年，E.AAsh和G.Nichofs采用3cm微波 利用近场成像原理在实验中实现了超衍射分辨 用直径为1.smm的小孔扫描光栅样品，成像分 辨率达入/60。 由于技术的限制，这种新思想直到1981年STM 的发明才得以实现。
近场光学理论及近场光学显微镜 介绍
2604101022 孙森
摘要
由对表面等离子体的介绍引入表面波与传统光 学所研究的远场电磁波的不同点，说明了其近 场波具有的衰减波突破了传统光学衍射极限的 限制。因此对近场光学的研究是必要的。然后 本文介绍了现有近场光学显微镜的典型工作方 式及结构，简要概括了不同工作方式的特点及 其适用目的。后半部分着重介绍了四种常用的 近场光学的理论分析方法。它们分别是：时域 差分法（FDTD），有限元法，矩量法，多重极 子法。
一般近场光学成像系统的基本结构分为:小 孔径扫描近场光学显微镜(A一SNOM)、无 孔径尖散射扫描近场光学显微镜(S一 SNOM)和PsTM三种基本类型，根据光与 样品的关系又可分为透射型(T)和反射型(R) 两类。
4.近场光学理论分析方法 近场光学理论分析方法
近场光学显微镜成像结果的解释是一个非 常复杂的问题，因为所得的光强图像反映 是样品形貌及光学参量的综合变化，为了 细致的考察成像的各种因素，必须从理论 上去拟分析近场光学显微镜成像过程，从 而能分析近场成像。
近场光学成像不同于经典光学，它所涉及 的是一个波长范围内的光学理论和现象。 所谓的“近场”区域内包含 ：(l)辐射场: 是可向外传输的场成分;(2)非辐射场:是被 限制在样品表面并且在远处迅速衰减的场 成分。 由于近场波体现了光在传播时遇到空间光 学性质不连续情况下的瞬态变化，所以可 以通过探测样品的隐失场来探测样品的亚 波长结构和光学信息。
4.3矩量法 矩量法 矩量法是一种将连续方程离散化为代数方程组 的方法，适用于微分方程和积分方程。最早被 的方法，适用于微分方程和积分方程。 Richmand和Hatrington用于求解电磁场问题 Richmand和Hatrington用于求解电磁场问题 4.4多重多极子法 多重多极子法 Novotny 和Hafner 等人受到无线电天线设计方 法的启发,从 年以后,开始利用多极本征函 法的启发 从1993 年以后 开始利用多极本征函 数的方法研究近场光学的理论问题。 数的方法研究近场光学的理论问题。
如图所示的近场光学探测原理:将一个亚波长尺寸的光源 (如一个纳米小孔)，放置在样品的近场区域(距离远小于 波长)，样品被照明的区域仅由光源或小孔的尺寸决定而 与光源波长无关，这样探测光强信号就可以得到样品的 光学图像。由于所成图像的分辨率仅由孔径的大小所决 定，这样就能够突破传统光学显微镜的衍射限制。
Yee氏网格中每个坐标轴方向上场分 量间相距半个网格空间步长，因而 同一种场分区域，可把Maxwell方程的两个旋 度方程表示为如下的形式: (4.1) (4.2)
磁场各分量的差分方程可由方程的对称性得出。 算法的特点是:任一网格点上的电场分量只与四 周环绕它的磁场分量和前一个时间步的值有关; 同样地，任一网格点上的磁场分量也只与四周 环绕它的电场分量和前一个时间步的值有关。 并且式中的:ε,µ,δe,δm，参数都表示成了空间坐 标的函数，因此这种算法能方便有效地处理媒 质的非均匀性和各向异性问题。