近场光学显微镜
近场光学显微镜
近场光学显微镜
近场光学显微镜（MO-SNOM）是扫描近场光学显微镜的一种形式。
一种扫描近场光学显微镜（SMOM），用于可视化样品表面的形状和磁通量分布。
用于分析磁性材料中磁光效应引起的光的偏振度的光学系统已添加到透射SNOM中。
入射的激光束通过声光调制器（AOM）以15 kHz的频率闪烁，然后用偏振器线性偏振，然后在安装有探头的悬臂背面引导到单模光纤探头。
有反射器，使用光xxx法探针-进行控制采样距离，探针是在振荡用声光调制器的闪烁同步地（AOM）的压电元件是通过振动。
2023年近场光学显微镜行业市场前景分析
2023年近场光学显微镜行业市场前景分析近场光学显微镜是一种用于研究纳米尺度物理、化学和生物学特性的先进显微镜技术。
近年来，随着纳米科技和生物医学的发展，近场光学显微镜在学术和工业界得到越来越广泛的应用，市场需求不断扩大。
本文将从技术发展趋势、市场细分、应用领域等方面分析近场光学显微镜行业的市场前景。
一、技术发展趋势1. 高分辨率近场光学显微镜是一种非常高分辨率的显微镜，其解析度可以达到几十纳米以下，远高于传统光学显微镜的极限。
未来，随着技术的不断发展，近场光学显微镜的分辨率还将进一步提高。
2. 自动化近场光学显微镜的操作需要高度的专业知识和技能，使用起来相对复杂。
未来，随着自动化技术的发展，近场光学显微镜的使用将更加便利，普及率也将进一步提高。
3. 多模式成像随着科技的发展，人们对物质的认识也在不断深入。
未来，近场光学显微镜将不仅限于单一的成像模式，而是向多模式成像过渡，以满足更加广泛的应用需求。
二、市场细分1. 学术市场近场光学显微镜主要应用于学术研究领域，如物理、化学、生物学和医学等。
在学术界，近场光学显微镜是一项重要的实验工具和技术手段，其应用前景非常广阔。
2. 工业市场近场光学显微镜在工业界的应用越来越广泛，尤其在半导体制造、光纤通信、生物医学等领域得到了很好的应用。
未来，随着工业化水平不断提高，近场光学显微镜在工业应用领域的市场前景还将不断扩大。
三、应用领域1. 生物医学近年来，随着纳米医学的崛起，近场光学显微镜在生物医学领域的应用越来越广泛。
近场光学显微镜可以用于肿瘤细胞的观察、药物分子的分布状况、细胞结构的分析等。
未来，随着生物医学技术的不断发展，近场光学显微镜在该领域的应用还将不断深入。
2. 纳米材料近场光学显微镜在纳米材料领域也有着广泛的应用。
尤其是在纳米材料的表征和性质研究方面，近场光学显微镜有着非常突出的优势。
未来，随着纳米材料领域的发展，近场光学显微镜在该领域的应用前景将会更加广阔。
近场光学显微镜
Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit
Eric Betzig and Jay K. Trautman
Science 10 July 1992: Vol. 257. no. 5067, pp. 189 - 195
镀膜：
微制备：
优点：可重复性好，可批量生产 缺点：制备工艺复杂
• 光学探针 • 探针－样品间距z 的反馈控制系统
• 驱动样品或针尖在
x-y平面内运动的二维
扫描系统
• 信号采集系统 • 图像处理系统
发展：近场光学显微镜种类和工作模式
(a)有孔针尖SNOM (b)无孔针尖SNOM (c)光子隧穿显微镜
工作模式：
按探针作用分为： • 照明模式（I mode） • 收集模式（C mode） • 照明－收集模式（I-C mode）
按光信号获取方式不同： • 反射模式 • 透射模式 • 荧光模式
近场光学显微镜应用
• 超分辨成像 • 近场光谱 • 近场光存储 • 近场光学在生物领域中的应用 ……
TERS
进行动态反应过程的直接观察电子显微镜下的病毒照片用电子显微镜拍摄的苯分子照片gaas纳米晶的透射电镜照片和电子衍射图透射电镜下观察到的主要是gaas纳米晶的的团聚体同时在团聚体中也可一观察到520nm的gaas颗粒图b是图a对应的电子衍射图可以看出只有面心立方结构gaas纳米晶的多晶衍射特征环
近场光学显微镜
针尖样品间力的相互作用
传统AFM的光杠杆技术
切变力探测
光学探针
• 探针孔径 • 通光效率
近场光学显微镜的工作原理
近场光学显微镜的工作原理近场光学显微镜（Near-field optical microscope, NSOM）是一种非常重要的显微镜技术，它可以突破传统光学显微镜的分辨率极限，实现纳米尺度下的超高分辨率成像。
它常被用于研究纳米结构材料、生物分子和量子器件等领域，有着广泛的应用前景。
近场光学显微镜的工作原理可以简单地描述为通过置于样品表面附近的微小探针实现的。
这个探针被称为光纤探针或是光纤尖端探针，它具有非常尖锐的末端，并且在末端附近可以发生近场增强效应。
当激光光束从光纤探针传输到样品表面时，近场增强效应使得光场能够显著缩小，并且得到了比传统光学微镜更高的分辨率。
在近场光学显微镜的成像过程中，有两种主要的成像模式，即透射式和反射式。
在透射式近场光学显微镜中，探针位于样品上方，激光在探针的末端聚焦。
样品被置于玻璃基片上，玻璃的透明度可以提高可见光的传播效率。
当激光透过探针聚焦在样品表面上时，通过激发样品表面的等离子体共振效应，可以获得显著增强的光场。
反射式近场光学显微镜与透射式不同，探针位于样品的侧面，激光从侧面照射样品，并通过探针进行观测。
在反射式近场光学显微镜中，探针末端附近的近场增强效应可以显著提高反射信号的强度，并且可以实现更高的分辨率。
这种模式常被用于研究金属纳米结构和光子器件等。
近场光学显微镜的关键在于控制和操纵光纤探针的末端。
一种常用的技术是通过金刚石刀将探针制备成尖锐的形状。
另一种常用的技术是通过电化学腐蚀来制备探针，可以得到更加均匀且尖锐的探针。
利用这些探针，可以实现纳米尺度的分辨率，并观察到一些传统显微镜无法看到的微观结构和现象。
近场光学显微镜的应用非常广泛。
在生物医学方面，它可以用于观察细胞的亚细胞结构和巨分子间的相互作用。
在材料科学领域，它可以用于研究纳米材料的光学性质和表面增强拉曼散射效应。
在半导体行业，近场光学显微镜被广泛应用于碳纳米管和纳米线的研究。
此外，近场光学显微镜还可以用于制备纳米器件和光子学元件等领域。
近场扫描光学显微镜安全操作及保养规程
近场扫描光学显微镜安全操作及保养规程一、安全操作近场扫描光学显微镜（Scanning Near-field Optical Microscope，SNOM）是一种高分辨率的显微镜，可以在纳米尺度下观察材料的特性和表面形貌。
为了确保您的安全，以下是近场扫描光学显微镜的安全操作规程：1.实验室规定：–近场扫描光学显微镜仅限于在合适的实验室条件下使用。
–在使用近场扫描光学显微镜时，应配备个人防护装备，如实验室外套、手套和护目镜。
2.设备检查：–在使用近场扫描光学显微镜之前，检查所有设备的连接情况是否正常。
–确保设备的电源和调节器处于关闭状态。
3.样品准备：–准备样品时，确保操作台面干净整洁。
–使用适当的工具处理样品，避免直接用手触摸。
–检查样品是否与近场扫描光学显微镜兼容。
4.样品安装：–使用显微镊子小心地将样品放置在样品台上，确保样品稳定。
–不要施加过大的力量，以免损坏样品。
5.光源设置：–按照设备操作手册的指导设置光源参数。
–避免直接观察光源，以免眼睛受到损害。
6.近场探针检查：–使用显微镊子小心地安装或更换近场探针。
–检查近场探针是否清洁，并保持其完整性。
–确保近场探针与样品的接触精确。
7.系统调整：–打开电源并进行系统初始化。
–按照设备操作手册的指导进行系统调整。
–调整近场扫描光学显微镜以获得所需的图像。
8.操作流程：–严格按照设备操作手册的指导进行操作。
–注意操作流程中的每个步骤，并确保每个步骤的顺利进行。
9.关闭系统：–关闭电源之前，设置设备参数回初始状态。
–将近场探针小心地取下并妥善保存。
–定期清洁和保养设备。
二、设备保养为了确保近场扫描光学显微镜的正常运行和延长使用寿命，以下是设备的保养规程：1.定期清洁：–使用合适的清洁剂和软布清洁设备的外部表面。
–避免使用有机溶剂或腐蚀性物质清洗设备。
2.近场探针维护：–定期检查近场探针的状态，并根据需要更换探针。
–清洁近场探针时，使用特殊的清洁液和纯净水。
近场光学显微镜原理
近场光学显微镜原理是使用由熔拉或腐蚀光纤波导所制成之探针，在外表镀上金属薄膜已形成末端具有15nm至100nm直径尺寸之光学孔径的近场光学探针，再以可作精密位移与扫描探测之压电陶瓷材料配合原子力显微技术所提供精确的高度回馈控制，将近场光学探针非常精确地控制在被测样品表面上1nm至100nm的高度，进行三维空间可回馈控制的近场扫描，而具有奈米光学孔径之光纤探针即可做接收或发射光学讯息之用，由此获得一真实空间之三维近场光学影像，因其与样品表面距离远小于一般光波波长，测得的信息皆属近场光学作用的信息，无平常常见的远场光学中绕射极限的光学解析度限制。
扫描近场光学显微镜与纳米光学测量
在实验技术部分，书中详细介绍了SNOM的实验设备、操作流程以及数据处理方 法。从样品制备到实验设置，再到数据解析，每个步骤都进行了详尽的解释。 还通过实例展示了SNOM在各种不同材料和结构中的应用，包括半导体、金属、 介质、生物和有机材料等。
在纳米光学测量应用部分，书中深入探讨了SNOM在各种纳米光学现象的测量中 的应用，包括表面等离子体共振、光学非线性、纳米光子学等。这些内容不仅 展示了SNOM的广泛适用性，也揭示了其在纳米光学研究中的独特优势。
更重要的是，书中还深入探讨了纳米光学测量在纳米光子学和等离激元光学研 究中的应用，包括近场光学超分辨成像、纳米尺度光场振幅、相位、矢量场、 磁场、偏振、光谱等物理参数的测量表征。
这本书给我留下了深刻的印象。它为我们提供了关于SNOM的全面信息，这种工 具在纳米光学测量中扮演着越来越重要的角色。在理解SNOM的工作原理和性能 指标时，我们可以更好地评估和应用这种工具。书中还提到了纳米光学测量的 多种应用，这让我对纳米科技有了更深入的了解。
《扫描近场光学显微镜与纳米光学测量》是一本的应用。无论大家是初学 者还是专业研究人员，这本书都将为大家提供宝贵的资源和启示。
阅读感受
在科学社的《扫描近场光学显微镜与纳米光学测量》一书中，作者王佳、武晓 宇、孙琳以深入浅出的方式，为我们揭示了扫描近场光学显微镜（SNOM）以及 纳米光学测量的奥秘。这本书不仅对近场光学的基本概念和探测原理进行了概 述，还详细阐述了SNOM的分类、工作原理、功能模块、关键技术、性能指标等。
《扫描近场光学显微镜与纳米光学测量》这本书是一本为所有对纳米光学和近 场光学感兴趣的读者提供的宝贵资源。无论是初学者还是专业研究人员，都可 以从这本书中获得深入而广泛的知识和理解。
这本书还通过图表、插图和实例等方式，使抽象的理论变得生动且易于理解。 读者可以直观地看到SNOM的工作过程和结果，从而更好地理解和掌握SNOM的 基本原理和应用。
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。
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GaAs纳米晶的透射电镜照片和电子衍射图, 透射电镜下观察到的主要是GaAs 纳米晶的的团聚体,同时,在团聚体中也可一观察到5-20 nm的GaAs颗粒,图b 是图a对应的电子衍射图,可以看出,只有面心立方结构GaAs纳米晶的多晶衍 射特征环.
使用短波长或电子束分辨率虽然提高，但 丧失了光学探测无损的优势，并且无法直 接获得光谱学信息。价格昂贵，系统复杂
针尖样品间力的相互作用
传统AFM的光杠杆技术
切变力探测
光学探针
• 探针孔径 • 通光效率
SNOM分辨率 SNOM信噪比
孔径越小，通光越低 典型探针孔径：50－100纳米
488 nm
NSOM 探针制备 热拉法：
优点：制备快、方便，表面光滑。 缺点：锥角小(<10),通光低,易碎。
化学腐蚀：
优点：制备快，锥角大20-30，通光效率高 缺点：HF有毒，表面性质难控
2. 选择短波长光照明是提高显微镜分辨本领 的另一个途径。
电子显微镜：
利用运动电子的具有波动性制造电子显微镜，因 为电子的德布罗意波长极短，所以它有极高的空 间分辨本领。
电子束发散角较小，u0~0.16rad；
ymE
0.61 e
N.A.
0.61 e
0.16
4e
电子波长取决于电子的加速电压：e
h p
以上方案均受制于衍射 能否突破衍射极限？
1928年 ， Synge 设想
(1)在不透明的平板或薄膜上， 制备出一个近乎10 nm的小孔， 置于生物样品切片正下方，两 者间隔近10nm
(2)入射光通过平板小孔照明 样品，透过样品的光被显微镜 聚焦到光电池上。
(3)保持入射光源强度不变， 在两个横方向上，以10nm的步 距移动样品，使入射光点沿样 品平面网格状扫描样品。
附录：阿贝正弦条件
P y0
QR
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N’
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M’ G’ S’
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பைடு நூலகம்
n0 组 具 光 n’
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在傍轴条件下：
F' P' F'Q'，G' P' G' R'
物像等光程
PNN' P' PSS' P'；QMM'Q' QTT'Q' PNN'G' RMM'G'; PSS' F' QTT' F'
超衍射极限和近场光学显微镜
人类视野的拓展：望远镜和显微镜
( 经透镜 )
物镜衍射极限
( 经透镜 )
几何光学 : 物点 像点
波动光学 : 物点 像斑
物(物点集合) 像(像点集合)
物(物点集合) 像(像斑集合)
0
0 0
瑞利判据: 两艾里斑中心的夹角等于每个艾里斑自身的半角宽度
*显微镜的分辨本领和物镜数值孔径
工作模式：
按探针作用分为： • 照明模式（I mode） • 收集模式（C mode） • 照明－收集模式（I-C mode）
按光信号获取方式不同： • 反射模式 • 透射模式 • 荧光模式
近场光学显微镜应用
• 超分辨成像 • 近场光谱 • 近场光存储 • 近场光学在生物领域中的应用 ……
TERS
h 2meV
加速电压 104V 105V
电子波长 1.210-2nm 3.710-3nm
分辨本领 510-2nm 1.510-2nm
有效放大率 2106 6106
1986 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 一 半 授 予 德 国 柏 林 弗 利 兹 - 哈 伯 学 院 （ Fritz-HaberInstitut der Max-Planck-Gesellschaft）的恩斯特·鲁斯卡（ErnstRuska，19061988)，以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜； 另一半授予瑞士鲁希利康（Rüschlikon）IBM苏黎世研究实验室的德国物理学 家宾尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理学家罗雷尔（Heinrich Rohrer， 1933-)以表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。
Subwave length-resolution optical image recording is demonstrated by moving an extremely narrow aperture along a test object equipped with fine-line structures. Details of 25-nm size can be recognized using 488-nm radiation. The result indicates a resolving power of at least /20 which is to be compared with the values of /2.3 obtainable in conventional optical microscopy.
镀膜：
微制备：
优点：可重复性好，可批量生产 缺点：制备工艺复杂
• 光学探针 • 探针－样品间距z 的反馈控制系统
• 驱动样品或针尖在
x-y平面内运动的二维
扫描系统
• 信号采集系统 • 图像处理系统
发展：近场光学显微镜种类和工作模式
(a)有孔针尖SNOM (b)无孔针尖SNOM (c)光子隧穿显微镜
n0 sin u0
0.61 0 ，N.A.
N.A.
n0 sin u0称为显微镜的数值孔径。
y0m
0.61 0
n0 sin u0
0.61 0
N.A.
如何提高分辨本领？纳米分辨？
1. 提高分辨率的方法之一是提高N.A.，可通 过油浸和使用广角透镜获得较大的数值孔 径。不过N.A.最大为1.5左右，此时 y0m0/2,这是传统光学显微镜的极限分辨 率—半波长。
发展历史： 1928年，Synge 提出设想 1972年，Eric Ash等人在微波波段实现 1984年，Pohl等研制成功第一台扫描近场光学 显微镜 1991年，Betzig等人采用光纤探针并结合剪切 力测控探针--样品间距，SNOM真正实用。
技术难点：扫描和距离的控制 + 高质量纳米光孔制备
探针－样品间距控制 方法：隧道电流
TECNAI F30场发射透射电镜 点分辨率：0.205 nm point at 300kV 线分辨率：0.102 nm line at 300kV
环境可控扫描电镜 特点:图像分辨率高对任何样品无需
处理，可直接进行观察；进行动态反 应过程的直接观察 。
电子显微镜下的病毒照片
用电子显微镜拍摄的苯分子照片
所以：
QR Q' R'; QR n0 y0 sin u0， Q' R' n' y'sin u'
得到阿贝正弦条件：
n0 y0 sin u0 n' y'sin u'
近场显微镜缺点： 探针的扰动 逐点扫描，信号采集时间长
新的原理？远场超分辨？ 目前的前沿之一
Optical stethoscopy: Image recording with resolution .1/20
D. W. Pohl, W. Denk, and M. Lanz
Appl. Phys. Lett. 44 (7), 651， 1April 1984
Near-Field Optics: Microscopy, Spectroscopy, and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit
Eric Betzig and Jay K. Trautman
Science 10 July 1992: Vol. 257. no. 5067, pp. 189 - 195
u’
y0
0
u0
l
艾里斑对物镜中心张开的半角宽度：0
1.22
0 ；瑞利判据在此表现为：
n' D
ym '
y0
l
0
1.22
0
n' D
;
l
D 有几何关系：sin u' 2
D
得：
l 2l
ym
'
0.61
n'
0
sin
u'
，
由Abbe正弦条件，n0y0 sin u0 n'y'sin u'得：
y0m
0.61 0