近场光学及其应用
近场光学显微镜的原理与应用
近场光学显微镜的原理与应用近场光学显微镜是一种高分辨率的显微镜，其分辨率比传统的光学显微镜高出数倍，由于其具有显著的优势，被广泛的应用于生物学、化学以及物理学领域。
近场光学显微镜的原理是利用阴影和高斯分布的原理，在极短距离内记录样品，从而实现高分辨率成像。
与传统的光学显微镜不同，近场光学显微镜使用的是非球形的探针，其可以显著的提高成像的分辨率。
探针可以通过针尖控制光的传播和聚焦，从而取代传统光学系统中的透镜。
近场光学显微镜有两种类型：激光扫描近场光学显微镜（SNOM）和原子力显微镜（AFM）。
SNOM利用了光的境界效应，在激光束射到探头和样品之间形成了一个非常小的空气隙，光束在这里发生折射、反射和散射。
探头测量位于芯片的表面上的交变光强度。
这种技术允许使用单个探头高效提取光信号并增强局部场，进而得到非常高分辨率的成像结果。
在AFM中，探针不是扫描光束，而是通过机械力与样品表面相互作用，记录样品表面的形态和物理各向异性特性，通过扫描电镜的探头与样品的亲密接触生成形态和力学特性的映像。
在这种情况下，由于电磁力的交互，探头会受到样品表面的微小变形和反弹，探针的垂直与样品表面的距离可以被计算。
近场光学显微镜的应用非常广泛，例如在纳米电子学领域中，通过这种技术可以对晶体结构进行分析，从而更好地理解其物理和电学特性。
在化学领域中，近场光学显微镜可以增加化学计量成像的分辨率，并通过分析分子跳变和化学反应来研究它们的反应和组成。
在生物医学领域中，这种方法可以精确地研究肿瘤细胞、细胞器、脂质体和分子间相互作用的等。
此外，近场光学显微镜还可以用于制备仿生材料、制备高分辨率传感器等。
近场光学显微镜的出现大大扩展了显微镜的应用范围，为各个领域的研究提供了极有价值的工具和方法。
地球上的很多领域都可以应用这种技术，相信这种技术将有不同层面的突破。
近场光学显微技术及其应用
近场光学显微技术及其应用引言传统光学显微镜是以光学透镜为主体，利用材料的折射率和光学透镜的曲率将物体放大成像。
单个透镜能将物体放大几十倍，使用多个透镜组合可以放大到一两千倍。
制造放大倍数更高的显微镜，观察更加精细的物体结构，是无数科学工作者梦寐以求的愿望，然而却遇到了技术上的难题：光的衍射效应阻碍了分辨率进一步提高的可能性。
由于光波的衍射效应, 传统光学显微镜的分辨率不能超过光波长的一半。
这个规律是一个多世纪前由德国科学家阿贝(Ernst Abbe) 根据衍射理论推导出来的,而后, 瑞利(Rayleigh) 归纳为一个常用公式。
瑞利判据: θλsin 222.1n r ≥其中r 为两点间的距离，λ为入射光的波长，n 为介质的折射率，θ为半角孔径。
它规定了两点刚好能被分辨的距离，该量由成像系统参数决定，那么要提高分辨率只能通过以下三种途径：（1）选取波长更短的波长（紫外光、X 射线、电子束）。
（2）选取折射率更高的材料做镜片。
（3）增大显微镜的孔径角。
应该注意到瑞利判据是建立在传播波的假设下，如果能够探测非辐射场, 就能规避瑞利判据, 而且完全突破衍射壁垒的限制。
80 年代以来，随着科学技术向小尺度与低维空间的推进以及扫描探针显微技术的发展，在光学领域中出现了一个新学科——近场光学。
近场光学是指光探测器及探测器与样品间距均小于辐射波长条件下的光学现象。
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。
它突破了衍射极限的制约，使人类的视野拓展到波长的几十分之一。
本文将以近场光学显微镜（近场光学显微镜(NSOM ——Near-field Scanning Optical Microscope ，或称SNOM)为例对近场光学显微技术做进一步的介绍。
1.近场光学超高分辨率原理1.1近场与远场我们观测物体时，看到的只是光场强度在记录介质上的二维投影。
光学远场和近场
光学远场和近场光学是研究光的传播、产生和控制的学科。
在光学中，远场和近场是两个重要的概念。
我们来了解一下光学远场。
光学远场是指光源到接收器之间的距离远大于波长的情况下的光场分布。
在远场中，光的传播可以用几何光学的方法进行描述，即光线的传播遵循直线传播的规律。
这意味着光线在远离光源的地方基本上是平行的，可以用光线的角度来描述光的传播方向。
此外，光线在远场中的传播路径和传播速度与介质的折射率有关。
在光学远场中，我们可以利用几何光学的原理来设计和分析光学系统。
例如，光学远场的成像系统可以通过透镜、反射镜等光学元件将光线聚焦到特定的位置上，实现物体的放大或缩小。
光学远场还可以用于光通信系统中的光纤传输、激光雷达的测距等应用。
接下来，我们转向光学近场。
光学近场是指光源到接收器之间的距离与波长相当或远小于波长的情况下的光场分布。
在近场中，光的传播不能简单地用几何光学的方法来描述，而需要考虑光的波动性。
近场中的光场分布可以用波动光学的方法进行描述，即光的传播需要考虑波动方程的解。
在光学近场中，光的传播路径和传播速度与介质的折射率以及光的波长有关。
此外，近场中的光场分布还受到光源和接收器之间的距离、光源的大小和形状等因素的影响。
近场中的光场分布可以通过数值模拟和实验方法进行研究。
光学近场在纳米光学、超分辨显微镜、光存储等领域有重要应用。
例如，近场光学显微镜可以实现超分辨成像，突破传统光学显微镜的分辨极限。
近场光学还可以用于纳米加工和纳米光子学等领域，实现对纳米结构和纳米材料的探测和操控。
总结起来，光学远场和近场是光学中两个重要的概念。
远场是指光源到接收器之间的距离远大于波长的情况下的光场分布，可以用几何光学的方法进行描述。
近场是指光源到接收器之间距离与波长相当或远小于波长的情况下的光场分布，需要考虑光的波动性。
光学远场和近场在光学系统的设计和分析、光通信、超分辨显微镜等领域有广泛的应用前景。
通过深入研究和理解光学远场和近场，我们能够更好地掌握光的传播规律，推动光学技术的发展和应用。
光子学技术在近场光学显微镜技术中的应用
光子学技术在近场光学显微镜技术中的应用近场光学显微镜技术（Near-field Scanning Optical Microscopy，NSOM）作为一种新兴的显微镜技术，通过研究光的近场效应，在纳米尺度下实现高分辨率成像。
而光子学技术在NSOM技术中的应用则为其提供了更高的可探测性、更高的分辨率以及更多的功能。
本文将对光子学技术在近场光学显微镜技术中的应用进行详细介绍和探讨。
首先，光子学技术在近场光学显微镜技术中的一个重要应用是基于近场拉曼光谱（near-field Raman spectroscopy）的成像。
传统的拉曼光谱技术通过测量样品表面与光的散射来获取样品的信息，但由于光的衍射极限，分辨率有限。
而近场拉曼光谱技术则克服了传统技术的分辨率限制，通过将激光聚焦到纳米尺度，并利用近场光学效应增强拉曼信号，实现了纳米尺度下的化学成分和结构成像。
这种技术对于纳米颗粒、生物分子、聚合物等样品的研究具有重要意义。
其次，光子学技术在NSOM中的另一个关键应用是近场荧光显微镜（Near-field Fluorescence Microscopy，NSFM）。
荧光显微镜是一种常用的光学成像技术，而NSFM则在传统荧光显微镜的基础上加入了光子学技术的优势。
通过在纳米尺度下将样品与探测器之间的距离缩短到光波长的数量级，NSFM可实现高分辨率的荧光成像。
这使得研究者能够观察到更微小的细胞结构和更精细的生物分子相互作用。
此外，光子学技术还广泛应用于光学近场操控。
通过利用光的近场效应，可以实现对样品的非接触式操控。
例如，通过调节照明光束的性质，如相位、极化和波前形状，可以实现对样品的纳米定位、驱动纳米粒子的运动以及操控样品表面的形态。
这为纳米器件的制备和操控提供了可行的途径，具有重要的应用前景。
另外，光子学技术在近场光学显微镜技术中的应用还涉及到局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）的研究。
近场光学显微镜及其应用111
激光与光电子学进展
Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２００２
近场光学显微镜及其应用 ＊
葛华勇 （上海大学物理系，上海 ２ ０ ０ ４ ３ ６ ）
提 要 近场光学显微镜是一种新型超高空间分辨率的光学仪器， 它在很多领域都有广泛应用。 本文 描述了近场光学显微镜的成像原理及结构部件， 简要介绍了近场光学显微镜在高分辨率光学成像、 高密 度信息存储以及近场光谱等领域中的应用 关键词 近场光学， 近场光学显微镜， 分辨率极限
Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２００２
２．２．２ 探针与样品间距的测控 近场光学显微镜是利用纳米 量级的高度局域的近场光获得物 体形貌像，它要求采用网格状逐 点扫描技术来获取样品的形貌像。 在扫描过程中，一个很关键的问 题是必须使探针与样品间的距离 控制在近场（ 几纳米至几十纳米） 尺度范围内并保持某一恒定值。 因此，精确测控探针与样品间的 距离是近场光学显微镜中的一个 很重要环节。 到目前为止， 已发展 了几种控制探针与样品间距的测 控技术，如：切变力强度测控技 术， 接触型测控技术， 隧穿电流强 度测控技术，近场光强度测控技 术。下面将对其中的两种作简要 介绍。 １） 切变力强度测控技术 切变力强度测控技术是 Ｂｅｔｚｉｇ等人提出的， 是利用探针 针尖与样品间的横向切变力进行 探针与样品间距［ ６ ， ７ ， ８ ］ 。 当使探针 平行于样品表面的方向以探针的 机械共振频率颤动并向样品表面 接近时， 在探针垂直接近到样品 表面几十纳米高度时， 探针与样 品间的相互作用将产生横向切变 力。此时，探针的颤动幅度会因 受切变力的阻尼而减小，于是， 探针颤动幅度的大小就反映了针 尖至样品的距离。因此，用反馈 方法维持针尖颤动的幅度， 就能 使针尖至样品的距离保持在某一 恒定值。 ２） 接触型测控技术 在上面介绍的切变力测控技 术中，探针和样品之间是非接触 式的。 这里将介绍一种Ｌａｐｓｈｉｎ等 人新引入的接触型测控技术 ［ ６ ］ 。 在这种技术中，探针粘在作为传 感器的音叉上，传感器以使探针 垂直于样品表面保持０．１ ￣１０ ｎｍ
第 讲 近场光学
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2Separation control:间距控制3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。
1、什么是近场光学？4光源探测器AB>>λ1、什么是近场光学？远场光学AB<λ近场光学Evanescent fieldEvanescent field: 倏逝场5Δx2.为什么是近场光学？0.61λ0n sin αΔx ≥~λ02物镜的数值孔径瑞利判据(Rayleigh Criterion)刚可分辨不可分辨衍射极限艾里斑6Δx测不准原理Δr Δp ≥hp =k•最佳分辨率:Δx min•Δk x =k 1-k 2=2k x =2k sin αsin α=1,Δk x ,max = 2k•根据测不准原理:Δx Δk x ≥2π,Δx min Δk x,max ≥2πΔx min 2k ≥2πΔx min ≥λ/2瑞利判据:h =2πOk 1k 2k 1=k 2=k2αAk xk xB2.为什么用近场光学？7Δx打破衍射极限Δk x →∞,Δx →0•无分辨率极限•如果k x >kΔx min <λ/2打破极限Δx min ≥λ/2•分辨率极限•最佳分辨率:Δx mink 1k 22αOk 1=k 2=kAk x k xB2.为什么用近场光学？k x ≤k•Δk x =k 1-k 2=2k x =2k sin αsin α=1,Δk x ,max = 2k•根据测不准原理:Δx Δk x ≥2π,Δx min Δk x,max ≥2πΔx min 2k ≥2πΔx min ≥λ/28k =k +k +k k z =i |k z |k x >k•k x > k 意味着什么?22x y 2zk z =i |k z |•波矢为复数zxy倏逝场(隐失场)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打破衍射极限2.为什么用近场光学？222zy x kk k k --=要k k x >必须k y 或k z 为虚数时，可突破衍射极限k x >kk z 强烈的约束场倏逝波又被称为光子隧穿效应9λ关于近场光学打破分辨率极限检测倏逝场在近场光学检测Illuminationλ倏逝场•更大的波矢（k x >k ）•打破了衍射极限•精细的结构信息•局限在近场传播场•较小的波矢（k x <k ）•更大的空间尺度•粗略的结构信息•远场辐射2.为什么用近场光学？10牛顿实验3.如何进行光学近场检测？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。
近场光学显微镜在生命科学中的应用
近场光学显微镜在生命科学中的应用随着现代生命科学研究的不断推进，研究者们对生物分子的细节结构和运动动态也有了越来越高的要求。
但是，传统显微镜的分辨率无法满足这种高要求。
此时，近场光学显微镜就应运而生。
它极大地推动了生命科学领域的发展，成为研究生物分子结构与行为的重要工具。
一、近场光学显微镜的原理近场光学显微镜是一种能用来观察高分辨率样品的仪器，它能够消除光学衍射限制，有非常高的分辨率。
其工作原理与传统的显微镜不同，不是利用透镜的几何光学成像原理，而是利用光学的短距离相互作用，从而直接在样品表面对其进行观察。
其结构简单，通常由光源、探针、样品和检测系统四个部分组成。
其中光源产生的光经过探针的尖端照射到样品表面，然后由检测系统采集反射或透射的信号，通过数据分析可得到表面的信息。
二、1. 生物体系的纳米结构观察近场光学显微镜可以观察生物体系的纳米结构，比如纳米晶体、纳米管、细胞膜和生物分子等。
这些领域中，近场光学显微镜的应用已经非常广泛。
例如，经过修饰后的玻璃探头可以成为纳米粘合剂，以将生命分子定位在合适的位置，通过近场光学显微镜可以观察到分子和探针之间的特殊相互作用。
2. 测量生物分子的力学性质近场光学显微镜还可以通过测量生物分子表面的力学性质，如硬度、弹性、摩擦系数等，直接对生命分子进行强行拉伸或压缩等实验，从而直接测量其强度和稳定性。
这种方法可以在很小的压力下进行精细的操作，对测量细胞表面的黏着性、弹性、粘度等方面有着非常重要的作用，也对生物纳米学领域的发展作出了重要的贡献。
3. 生物分子的光学图像对比在高分辨率成像方面，近场光学显微镜可以获取细胞表面的高分辨率图像，并比较不同的样品在相同条件下的光学图像。
这项技术可以有效地检测分子间的微小变化，如蛋白质在细胞膜上的扭曲变化、蛋白质和DNA之间的相互作用等。
这些研究对于深入了解生物分子的功能和结构非常重要。
4. 生命分子动力学研究此外，近场光学显微镜还可以研究生命分子的动力学。
近场光学实验技术的使用方法与成像优化
近场光学实验技术的使用方法与成像优化近场光学是研究和应用光学现象在纳米尺度下的科学与技术领域。
与传统的远场光学相比，近场光学在成像分辨率和光学探测灵敏度方面有着明显的优势，广泛应用于纳米材料、生物医学、信息存储与通信等领域。
在本文中，将介绍近场光学实验技术的基本原理、常见的使用方法以及如何优化成像效果。
一、近场光学实验技术的基本原理近场光学实验技术是利用探针与样品之间的微观距离，通过局域电磁场的相互作用来实现高分辨成像和光学探测的一种方法。
其基本原理主要包括两个方面：近场效应和探测技术。
1. 近场效应：近场效应是指当光与样品相互作用时，电磁场的强度和分布与样品形状、介电性质等有关。
在近场区域内，光的电磁场具有非均匀性和极化效应，可以实现超分辨成像。
2. 探测技术：实现近场光学成像和探测的关键是选择合适的探测技术。
常见的近场探测技术包括原子力显微镜（AFM）、光纤探针、金属探针等。
这些探测技术可以通过感知局域电磁场的变化来实现高分辨成像和探测。
二、近场光学实验技术的常见使用方法近场光学实验技术的常见使用方法包括近场光学显微镜、近场光学拉曼光谱仪和近场光学操纵等。
1. 近场光学显微镜：近场光学显微镜是近场光学实验技术的常见应用之一。
它可以通过将探测探针置于样品表面附近，实时观察和测量样品表面的形貌和光学性质。
近场光学显微镜具有高分辨率、高灵敏度和非接触测量等优点，适用于纳米材料、生物医学和材料科学等领域的研究。
2. 近场光学拉曼光谱仪：近场光学拉曼光谱是将近场光学技术与拉曼光谱相结合的一种方法。
通过将探测探针置于样品表面附近，可以实现对样品的拉曼光谱分析。
近场光学拉曼光谱仪具有高成像分辨率和高灵敏度的特点，对于研究纳米材料的结构和表面增强拉曼散射效应具有重要意义。
3. 近场光学操纵：近场光学操纵是利用近场光学技术实现对微观物体的操纵和搬运。
通过控制近场光场的强度和分布，可以实现对微观粒子的加速、聚集和操纵。
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
近场光学显微镜的原理与应用
近场光学显微镜的原理与应用近场光学显微镜是一种利用近场光学原理进行显微观察的仪器。
它的原理是通过将探测器置于样品表面附近，利用样品表面产生的近场光信号来获取高分辨率的显微图像。
近场光学显微镜具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等特点，已广泛应用于生物学、材料科学和纳米技术领域。
近场光学显微镜的原理基于近场光学效应。
传统的光学显微镜的分辨率受到光的衍射极限的限制，无法观察到更小尺寸的细节。
而近场光学显微镜通过将光源与探测器之间的距离缩短到波长的几个或几十个纳米，使得光的衍射极限被打破，从而实现了超分辨率的显微观察。
近场光学显微镜的应用非常广泛。
在生物学领域，它可以用于观察细胞和组织的微观结构，研究细胞的生物过程和病理变化。
通过近场光学显微镜，科学家可以观察到细胞膜的形态变化、蛋白质的分布以及细胞器的运动等细节，为生命科学研究提供了重要的工具。
在材料科学领域，近场光学显微镜可以用于研究材料的表面形貌和物理性质。
传统的光学显微镜无法观察到纳米尺度的表面结构，而近场光学显微镜可以实现纳米级的分辨率。
科学家可以利用近场光学显微镜观察材料的表面形貌、颗粒的分布和材料的光学性质等，为材料科学研究和应用提供了重要的手段。
在纳米技术领域，近场光学显微镜是不可或缺的工具之一。
纳米技术研究和制备的对象通常具有纳米尺度的特征，传统的显微镜无法观察到这些细节。
而近场光学显微镜可以实现纳米级的分辨率，可以观察到纳米颗粒的形态、大小和分布等细节。
这对于纳米材料的研究和纳米器件的制备具有重要意义。
近场光学显微镜的发展离不开技术的进步。
近年来，随着光学器件和探测器的不断改进，近场光学显微镜的分辨率和灵敏度得到了大幅提升。
同时，近场光学显微镜的成本也逐渐降低，使得更多的科研机构和实验室可以采用这一技术进行研究。
总之，近场光学显微镜是一种重要的显微观察工具，具有高分辨率、高灵敏度和非破坏性等特点。
它在生物学、材料科学和纳米技术等领域的应用已经取得了显著的成果，并为相关领域的研究和应用提供了重要的支持。