今天芬創(chuàng)資訊為大家整理的光電理論是關(guān)于近場(chǎng)光學(xué)的，里面為光學(xué)人介紹了相關(guān)定義與原理，有興趣的朋友們可以轉(zhuǎn)發(fā)收藏！

定義

近場(chǎng)光學(xué)是研究距離物體表面一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的光學(xué)現(xiàn)象的新型交叉學(xué)科。基于非輻射場(chǎng)的探測(cè)與成像原理，近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡突破常規(guī)光學(xué)顯微鏡所受到的衍射極限，在超高光學(xué)分辨率下進(jìn)行納米尺度光學(xué)成像與納米尺度光譜研究。近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡在超高分辨率光學(xué)成像，近場(chǎng)局域光譜，高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在生命科學(xué)，單分子光譜，量子器件發(fā)光機(jī)制等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。

近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)

物體表面外的場(chǎng)分布可以劃分為兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)是距物體表面僅僅幾個(gè)K的區(qū)域，稱為近場(chǎng)區(qū)域；另一部分從近場(chǎng)區(qū)域外至無窮遠(yuǎn)處稱為遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。常規(guī)的觀察工具如顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡及各種光學(xué)鏡頭均處于遠(yuǎn)場(chǎng)范圍。近場(chǎng)的結(jié)構(gòu)則相當(dāng)復(fù)雜。一方面它 包括可以向遠(yuǎn)處傳播的分量， 又包括了僅僅限于物體表面一個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)的成分。人們?cè)谝粋€(gè)世紀(jì)以前就意識(shí)到近場(chǎng)的存在及其復(fù)雜性： 它的特征是“依附”與物體表面， 其強(qiáng)度隨離開表面的距離增加而迅速衰減，不能在自由空間存在， 因而被稱為隱失波( evanescent wave)。

發(fā)展

80年代以來, 隨著科學(xué)與技術(shù)向小尺度與低維空間的推進(jìn)與掃描探針顯微技術(shù)的發(fā)展，在光學(xué)領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個(gè)新型交叉學(xué)科——近場(chǎng)光學(xué)。近場(chǎng)光學(xué)對(duì)傳統(tǒng)的光學(xué)分辨極限產(chǎn)生了革命性的突破。新型的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡 ( NSOM——Near-field Scanning Optical Microscope，或稱 SNOM)的出現(xiàn)使人們的視野由入射光波長(zhǎng)一半的尺度拓展到波長(zhǎng)的幾十分之一，即納米尺度。在近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡中，傳統(tǒng)光學(xué)儀器中的鏡頭被細(xì)小的光學(xué)探針?biāo)?，其尖端的孔徑遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)。

早在1928年, Synge提出：用入射光透過孔徑為10nm 小孔照射到相距為10nm的樣品后， 以10nm的步長(zhǎng)掃描并且收集微區(qū)的光信號(hào)時(shí)，就可能獲得超高分辨率。在這種直觀的描述中, Synge已經(jīng)清楚地預(yù)測(cè)了現(xiàn)代近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的主要特征。

1970年，Ash 和 Nicholls 應(yīng)用近場(chǎng)的概念， 在微波波段( K=3cm)實(shí)現(xiàn)了分辨率為 K/ 60的二維成像。

1983年，BM 蘇黎世研究中心成功地在金屬鍍膜的石英晶體尖端制備了納米尺度的光孔。利用隧道電流作為探針和樣品間距的反饋，獲得 K/ 20的超高光學(xué)分辨率的圖象。

使近場(chǎng)光學(xué)能引起更廣泛關(guān)注的推動(dòng)來自于AT&T Bell 實(shí)驗(yàn)室。1991年 Betzig 等人用光 學(xué)纖維制成高通光率的錐形光孔， 側(cè)面蒸鍍金屬薄膜，加上獨(dú)特的切變力探針-樣品間距調(diào) 控法，不但使透過的光子通量增加了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)又提供了一種穩(wěn)定、可靠的調(diào)控方法，引發(fā)了近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡在生物、化學(xué)、磁光疇與高密度信息存儲(chǔ)器件、量子器件等不同領(lǐng)域中高分辨光學(xué)觀察中的一系列研究。

近場(chǎng)探測(cè)原理

近場(chǎng)光學(xué)探測(cè)是由一系列轉(zhuǎn)換完成的：

(1) 當(dāng)用傳播波或隱失波照射高空間頻率的物體時(shí)， 將產(chǎn)生隱失波；

(2) 這樣產(chǎn)生的隱失場(chǎng)不服從瑞利判據(jù)。這些場(chǎng)在遠(yuǎn)小于一個(gè)波長(zhǎng)的尺度的局部范圍內(nèi)有很大的變化；

(3) 根據(jù)互易原理， 這些不可探測(cè)的高頻局域場(chǎng)可以通過微小物體的轉(zhuǎn)換而將這個(gè)隱失場(chǎng)轉(zhuǎn)換為新的隱失場(chǎng)以及傳播場(chǎng)；

(4) 傳播場(chǎng)被適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)距離探頭所記錄。在這里，由隱失場(chǎng)到傳播場(chǎng)的轉(zhuǎn)換是線性的，即探測(cè)到的場(chǎng)強(qiáng)與相應(yīng)的隱失場(chǎng)中的Poynting 矢量成比例，因此探頭獲得的信息準(zhǔn)確反映精細(xì)結(jié)構(gòu)的局部變化， 當(dāng)用一個(gè)微小物體 (如光纖探針的尖端)進(jìn)行平面掃描時(shí)， 就可以得到二維圖像。

綜上所述，由傳播場(chǎng)到隱失場(chǎng)的轉(zhuǎn)換是通過衍射或繞射機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，反之亦然。這樣的逆轉(zhuǎn)換相應(yīng)于光子的隧道效應(yīng)。

分析近場(chǎng)成像問題

分析近場(chǎng)成像問題時(shí)，有必要將整個(gè)成像過程分為兩個(gè)部分。

(1)入射光與樣品的相互作用；在樣品表面產(chǎn)生非輻射型隱失波(當(dāng)然同時(shí)也產(chǎn)生傳播波)；

(2) 探針與樣品的相互作用及其與成像的關(guān)系：當(dāng)探針進(jìn)入近場(chǎng)范圍時(shí)，其針尖接收到含有樣品細(xì)節(jié)信息的隱失波，而 產(chǎn)生新的隱失波及傳播波。這個(gè)傳播波可以被探頭接收而成像。

近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡

基本類型

近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的主要目標(biāo)是獲得與物體表面相距小于波長(zhǎng)K的近場(chǎng)信息， 即隱失場(chǎng)的探測(cè)。雖然已經(jīng)出現(xiàn)了許多不同類型的近場(chǎng)光學(xué)顯微儀器， 但它們有一些共同的結(jié)構(gòu)。如同其他掃描探針顯微鏡( STM、AFM…)， 近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡包括： (1)探針，(2) 信號(hào)采集及處理，(3)探針-樣品間距 z-的反饋控制，(4) x-y 掃描及(5) 圖像處理。這里(4)(5)是已經(jīng)成熟的掃描探針顯微技術(shù)。采用計(jì)算機(jī)控制電子線路，微區(qū)的掃描一般由壓電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，控制精度可以優(yōu)于0. 01nm，豐富的圖形處理方法可以將數(shù)字圖像做平滑、濾波、襯度、亮度處理， 傅里葉變換濾波等。而(1), (2), (3)則與其他技術(shù)有區(qū)別。

(1) 探針：與 STM 中的金屬探針和 AFM 的懸臂探針不同的是, 這里一般采用介電材料探針，可以發(fā)射或接受光子，尖端尺度在10～100nm，以能夠?qū)⑹占降墓庾觽魉偷教綔y(cè)器， 探針可用拉細(xì)的錐形光纖， 四方玻璃尖端，石英晶體等制成，探針的核心問題是小尺度和高的光通過率。

(2) 信息探測(cè)：由于光子信息均來自于納米尺度區(qū)域，信號(hào)強(qiáng)度一般很低( ～nw/ cm2), 因而需經(jīng)光電倍增管、光二極管、光子計(jì)數(shù)或電荷耦合器件(CCD)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)而放大。同時(shí)利用調(diào)制-鎖相放大技術(shù)抑制噪聲。以提高信噪比。

(3) 探針-樣品間距控制: 理想的調(diào)控方法應(yīng)當(dāng)是與光信號(hào)的探測(cè)完全獨(dú)立的機(jī)制，以使待測(cè)信號(hào)不受到干擾，避免引入復(fù)雜性。而實(shí)際方案中則難于避免這一問題，目前常用的方法有：i)隱失場(chǎng)調(diào)控：利用隱失場(chǎng)強(qiáng)度隨 z-增加而指數(shù)下降關(guān)系，將探針放入隱失場(chǎng)里，控制范圍0～K/ ( 30～40)，這種方法中，探測(cè)光信號(hào)與調(diào)控信號(hào)有較強(qiáng)相互影響。ii) 切變力調(diào)控：當(dāng)以本征頻率振蕩的探針靠近樣品表面時(shí)( < 50 nm)，由于振蕩的針尖與樣品間作用力( Van derWaals，毛細(xì)力，表面張力等)，其振蕩幅度及相位均會(huì)有較大變化，利用這個(gè)變化可以將探針控制在 z= 5～20 nm 范圍，比較成熟的方案有切變力調(diào)控方式，雙束干涉，共振音叉和超聲共振方式等。

與STM中的電子隧道效應(yīng)相比，光的傳播特性使近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡有新的特點(diǎn)；首先光子很容易向遠(yuǎn)處傳播，因此易與觀察物以外的物體或缺陷發(fā)生反射、衍射，這些相互作用將使所觀察場(chǎng)的真實(shí)情況改變。因此，要找到一種完全獨(dú)立的探針-樣品間距控制方法；其次，如前面所述。在近場(chǎng)區(qū)域， 傳播分量與非傳播分量是共存的， 因而實(shí)際強(qiáng)度與 z -的關(guān)系并不是理想的指數(shù)衰減形式。在許多文獻(xiàn)中描述的完美的指數(shù)衰減僅能出現(xiàn)在理想平面中, 而實(shí)際上這些實(shí)驗(yàn)分布已經(jīng)被傳播場(chǎng)所調(diào)制。

應(yīng)用實(shí)例

近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡已經(jīng)從80年代初期的概念性示范、90年代初期各類新型儀器開發(fā)，到目前成熟應(yīng)用的階段，在物理、化學(xué)、生物、材料科學(xué)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。下面列舉一些引人注目的應(yīng)用領(lǐng)域。

高分辨率光學(xué)成像

新的掃描探針顯微鏡發(fā)展的初期總是要獲得盡可能高的空間分辨率。早期的NSOM 利用石英晶體表面的金屬鍍層上的微孔作為探針， 獲得波長(zhǎng)的幾十分之一的水平分辨率。當(dāng)采用亞波長(zhǎng)孔徑的光纖作為探針和切變力樣品-探針間距控制法后，已有分辨率為12 nm 的報(bào)道。然而，由于制備孔徑小于30 nm 的光纖探針存在著很大的難度，以及這種尺度光通量極弱，使人們甚至認(rèn)為這種方案的分辨率極限為30 nm。在反射模式下，由于光信號(hào)在到達(dá)探測(cè)系統(tǒng)前已經(jīng)經(jīng)歷了多重反射，使分辨率進(jìn)一步降低。然而由于這種可靠性高的方案可以滿足相當(dāng)多應(yīng)用的要求，已經(jīng)成為 NSOM 的常規(guī)方法。其他特殊的無孔方式，如四面體探頭法， 局部電磁場(chǎng)擾動(dòng)法可以獲得更高、甚至接近原子分辨本領(lǐng)。

局域光譜

利用低溫近場(chǎng)光譜儀可以探測(cè)并且區(qū)分尺度為幾十納米的量子線的光發(fā)射，

近場(chǎng)發(fā)光譜

以及單個(gè)或多量子阱的發(fā)射譜。在研究GaAs/ GaAlAs 量子阱的激發(fā)譜時(shí)，觀察到遠(yuǎn)場(chǎng)方式所得不到的尖銳發(fā)射線條，表面樣品發(fā)光的不均勻性；綜合運(yùn)用磁場(chǎng)、溫度與給定激發(fā)波長(zhǎng)的成像技術(shù)，可以準(zhǔn)確地了解不同激發(fā)線的空間分布與界面的完整性。近有人在磁性半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)( 含有磁性離子 M2+ 的 ZnSe/ ZnCaSe 量子阱)中，研究了激子的自旋行為，對(duì)載流子的擴(kuò)散和激子輸運(yùn)行為作出系統(tǒng)研究。近場(chǎng)光譜在研究量子點(diǎn)、納米晶體、表面缺陷與位錯(cuò)、納米量子球及多孔硅等方面將發(fā)揮其獨(dú)特的作用。

高密度信息存儲(chǔ)

提高信息存儲(chǔ)密度是科研與工業(yè)界極為關(guān)注的重大問題。目前的光學(xué)及磁光讀寫方式均受到衍射極限的限制， 并且使用較短的激光波長(zhǎng)對(duì)存儲(chǔ)密度提高不大。而近場(chǎng)光學(xué)的出現(xiàn)提供了一種新的原理，大大提高存儲(chǔ)密度。較早的示范性研究表明，利用近場(chǎng)磁光偏轉(zhuǎn)方法在 Pt/Co 多層磁光膜的記錄密度可高達(dá)45 Gbits/ inch2。近年來近場(chǎng)表面等離子增強(qiáng)散射、近場(chǎng)二向色法色法及固態(tài)浸沒鏡聚焦法等都有較大發(fā)展。近場(chǎng)光刻、相變材料及光致變色薄膜等研究為近場(chǎng)技術(shù)在高密度存儲(chǔ)上的應(yīng)用提供新的機(jī)會(huì)。然而， 由于近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)在速度與可靠性上與商業(yè)應(yīng)用尚有距離，許多相關(guān)的機(jī)制仍需較大發(fā)展。

生命科學(xué)應(yīng)用及單個(gè)分子探測(cè)

近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡能利用光學(xué)觀察的無損、原位探測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)生物樣品進(jìn)行高分辨研究，可以在分子水平或者更深的層次研究如細(xì)胞的有絲分裂、染色體的分辨與局域熒光， 原位DNA、RNA 的測(cè)序，基因識(shí)別， 單個(gè)膜孔通道、膜受體成像等。在進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)性能后，可能觀察活細(xì)胞中分子的動(dòng)態(tài)代謝等動(dòng)力學(xué)過程。