近场光学原理简介(转载)

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。

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。

近场光学原理简介(转载）2011-05-08 16:05:48| 分类：SEM基础 | 标签：精密测试纳米光学衍射极限分辨率远场光学|字号订阅作者：王佳教授（转载请注明）清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室纳米光学/近场光学实验室所谓近场光学，是相对于远场光学而言。

传统的光学理论，如几何光学、物理光学等，通常只研究远离光源或者远离物体的光场分布，一般统称为远场光学。

远场光学在原理上存在着一个远场衍射极限，限制了利用远场光学原理进行显微和其它光学应用时的最小分辨尺寸和最小标记尺寸。

而近场光学则研究距离光源或物体一个波长范围内的光场分布。

在近场光学研究领域，远场衍射极限被打破，分辨率极限在原理上不再受到任何限制，可以无限地小，从而基于近场光学原理可以提高显微成像与其它光学应用时的光学分辨率。

1.远场光学的衍射分辨极限远场光学的分辨率受到衍射效应的限制。

1873年，德国科学家阿贝（Abbe）根据衍射理论首次推导出衍射分辨极限，即能够被光学分辨的两点间的距离总是大于波长的一半。

后来，瑞利（Rayleigh）将阿贝衍射理论归纳为一个公式：（1-1）这就是人们所熟知的瑞利判据。

该判据表明，当且仅当物体上两点之间的距离d大于或等于不等式右边所规定的量时，才被看作是分开的两点。

这个量与入射光在真空中的波长l、物方折射率n以及显微物镜在物方的半孔径角q有关。

nsin(q)通常也被称作数值孔径（Numerical Aperture，N.A.）。

由瑞利判据可知，提高分辨率包括两种方法：其一，尽可能选择短的辐射波长，如利用蓝光、紫外光、x射线、电子等；其二，提高数值孔径，但若不考虑较少和较难使用的油浸物镜（N.A. = 1.5左右）与固体浸没透镜，数值孔径的最大值不超过1，因此远场光学的分辨极限最高只能达到波长的l/2。

2.近场光学的超衍射极限分辨率当光和物体发生相互作用后，在物体表面（xy面）形成携带物体信息的光场分布，可以使用该场（即z= 0平面上的场）的复振幅的分布特性来表示样品。

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。

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。

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。