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。

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。

近场光学显微镜的工作原理商业计划书一、概述近场光学显微镜（Near-field Optical Microscope，简称NSOM）是一种重要的纳米尺度显微技术，其工作原理基于近场光学效应。

本商业计划书旨在介绍NSOM的工作原理，以及通过开展相关业务来推动该技术的商业化应用。

二、技术背景近场光学显微镜是一种基于光学原理的显微镜，可以实现纳米尺度的高分辨率成像。

与传统光学显微镜不同，NSOM利用近场光学效应，即光场与样品的极近距离相互作用，从而突破了传统显微镜的分辨率限制。

三、工作原理NSOM的工作原理可以分为两种方式：透射式和反射式。

1. 透射式NSOM透射式NSOM将样品放置在一个透明的探测器尖端下方，通过控制探测器与样品之间的距离，使其处于近场光学作用范围内。

然后，通过探测器尖端的极小孔径，只有几十纳米大小，将光束聚焦到样品表面，使得光场与样品的极近距离相互作用。

最后，通过检测光场的变化，可以获得样品表面的高分辨率图像。

2. 反射式NSOM反射式NSOM则是将样品放置在一个金属薄膜下方，通过探测器尖端的极小孔径，将光束聚焦在样品表面上。

与透射式NSOM不同的是，反射式NSOM通过探测器尖端侧面的金属反射，将样品表面的光场信息传递到探测器上。

通过探测器的移动和扫描，可以获得样品表面的高分辨率图像。

四、商业化应用NSOM作为一种高分辨率成像技术，具有广泛的商业化应用前景。

1. 纳米材料研究NSOM可以用于纳米材料的表征和分析，例如纳米颗粒、纳米线等。

通过NSOM的高分辨率成像，可以观察到纳米材料的形貌、尺寸和表面结构，为纳米材料研究提供重要的实验手段。

2. 生物医学研究NSOM在生物医学领域的应用也具有巨大潜力。

通过NSOM的高分辨率成像，可以观察到生物样品的细胞结构、蛋白质分布等细节信息，为生物医学研究提供宝贵的数据支持。

3. 纳米器件制造NSOM还可以应用于纳米器件的制造过程中。

通过NSOM的高分辨率成像和控制能力，可以实现对纳米器件的精确加工和调控，为纳米器件制造提供重要的工艺技术。

近场光学显微镜的实验研究光学显微镜是科学研究和生物医学领域中不可或缺的工具。

然而，传统的光学显微镜在分辨率和灵敏度方面受到限制。

近场光学显微镜的发展为我们提供了一种突破这些限制的新方法。

本文将介绍近场光学显微镜的实验研究。

近场光学显微镜（Near-field Optical Microscopy，简称NSOM）是一种基于近场效应的显微技术。

与传统的显微镜不同，NSOM可以实现超高空间分辨率和高度灵敏的光学测量。

它利用扫描探针的近场光学作用和信号的相互作用来实现对样品表面的成像。

在NSOM的实验研究中，一个关键的组成部分是探针。

探针是一个光学纤维头，其末端处可形成一个非常小的光学探测器。

这个小探测器可以通过其尖端的纳米尺度孔隙来探测样品表面的电场分布。

探针通过扫描样品表面来获取一系列信号，然后通过信号处理技术将这些信号转化为图像。

NSOM的优势之一是其超高的空间分辨率。

由于近场光学的特性，NSOM可以实现几十纳米乃至亚纳米级别的分辨率。

这对于研究微观结构、纳米颗粒和分子间相互作用等领域具有重要意义。

例如，NSOM可以用于研究纳米材料的特性和表面形貌，帮助科学家深入了解其结构和性质。

除了高的空间分辨率，NSOM还能提供高度灵敏的光学测量。

传统的光学显微镜通常只能感测到样品表面的强度信息，而无法获得具体的光学响应。

然而，NSOM通过探针的纳米尺度孔隙实现了局域电场信号的探测。

这种能力使得NSOM可以研究材料的光学性质、光学共振和局域电荷转移等现象。

NSOM的应用领域广泛。

在纳米科学领域，NSOM被用于研究纳米材料的光学特性、纳米线和纳米颗粒的电荷传输等问题。

在生物医学领域，NSOM可以帮助科学家探索细胞结构、物质转运和生物分子的相互作用等生命过程。

此外，NSOM 还可以应用于光刻和纳米加工等领域，为纳米器件的制备提供技术支持。

总结起来，近场光学显微镜的实验研究为我们提供了一种突破传统光学显微镜限制的方法。

近场光学显微镜的操作方法详解近场光学显微镜（Near-field Optical Microscope，简称NSOM）是一种被广泛应用于纳米科学和纳米技术领域的高分辨率显微镜。

与传统的光学显微镜不同，NSOM利用了光的近场效应，能够观测和测量纳米尺度的样品。

本文将详细介绍NSOM的操作方法。

首先，我们需要了解一些NSOM的基本原理。

NSOM利用了光的近场效应，即在光波通过光纤或探针尖端时，由于尖端与样品之间的距离非常近，使得光的电磁场与样品发生相互作用。

通过探针尖端的光学信号捕获和光谱分析，可以得到样品的高分辨率图像和光学特性。

NSOM的操作方法需要准备以下设备和材料：NSOM系统主机、光纤、探针尖端、样品支架、样品片、显微镜桥架和电脑。

在操作前，我们需要先进行系统基础设置和校准。

具体的操作流程如下。

步骤一：装配设备将光纤连接到NSOM主机的适配器上，并将探针尖端插入光纤的一端。

确保光纤和探针尖端之间无杂质或颗粒。

步骤二：调节微动控制器用显微镜桥架安装样品支架，并将样品片放置在样品支架上。

使用微动控制器移动样品支架，使样品与探针尖端保持适当的距离（通常在几纳米到几十纳米之间）。

步骤三：校准探针尖端通过调节探针尖端的位置和角度，使其与样品表面平行或垂直。

这一步骤需要使用显微镜观察并进行微调，确保探针尖端与样品表面的接触良好。

步骤四：设置扫描参数在NSOM主机上设置扫描参数，包括扫描速度、扫描范围以及分辨率等。

这些参数的设置将影响到最终获得的图像质量和分辨率。

步骤五：开始扫描启动NSOM主机，并使用电脑上的控制软件操作。

通过设置扫描模式（如接触模式、非接触模式或谐振模式），开始进行样品的扫描和图像采集。

步骤六：观察和分析通过显微镜镜头观察和调整探针尖端的位置，以保证探针尖端与样品接触良好。

在图像采集过程中，可以实时观察样品的变化和特征。

步骤七：数据处理通过NSOM主机上的数据处理软件，对采集到的图像进行处理和分析。