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扫描近场光学显微镜概述及应用

2012-11-29

扫描光学显微镜(SNOM——ScanningNear-fieldOeticalMicr0SCOPP)是依据近场探测原理发展起来的一种光学扫描探针显微(SPM)技术。其分辨率突破光学衍射极限,达到10~.200。m。在技术应用上.SNOM为单分子探测,生物结构、纳米微结构的研究,半导体外陷分析及zui子结构研究等多个领域提供了一种有力的工具;在物理上.它将量子光学、波导光学、介视物理等多个学科在一起,并由此开辟了一个新的光学研究领域—一近场光学(Near-fie山OptiCS)o一、SNOM发展历史和国内外研究现状按照AbbeL’‘原理,传统光学显微镜的分辨率受到光学衍射极限的限制,即:ne===一式中,人为照明光波长,,i和O分别为物方空间折射率和半角孔径。

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一一近场光学。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;而近场光学显微镜是基于近场光学理论的一种新型超高空间分辨率光学仪器。1984年,近场光学显微镜的原型“光学听诊器”的发明,标志着人类*次突破了光学显微镜的衍射极限分辨率。自1992年用单模光纤做成光学探针以及利用切变力进行探针针尖至样品表面距离测控后,近场光学显微镜开始被作为一种用于观察和研究亚波长物体的外观形貌和内在性质的新型光学仪器。在此后的短短几年内,在纳米和介观尺度上,它被广泛应用到物理、化学、生物、医学和信息等领域。

 

近场光学显微镜应用:

由于近场光学显微镜能克服传统光学显微镜低分辨率以及扫描电子显微镜和扫描隧道显微镜对生物样品产生损伤等缺点,因此得到了越来越广泛的应用,特别是在生物医学以及纳米材料和微电子学等领域。

扫描近场光学显微镜(SNIM)是SNOM的一个分支,是SNOM技术在红外领域的应用。为获取高分辨信息,用于定位、扫描、近场探测的微探针是SNIM中非常关键的部分。微探针的形式很多,大致分为两类:小孔探针和无孔探针,而小孔探针往往是光纤探针。当光纤探针至被测样品的距离一定时,光纤探针的通光小孔大小和针尖的锥角形状,决定了SNIM的分辨率、灵敏度及传输效率。但是把红外光纤制成用于SNIM和微探针是比较困难的事。和可见光波段的光纤探针制备相比,一方面适合于中红外波段(2.5~25mm)的光纤种类太少;另一方面,现有的红外光纤都比较脆,延展性和柔软性很差,而且化学性质不理想。为降低光衰减,制成高质量红外光纤探针是比较困难的事。

国外一些研究SNIM的机构在探头方面采用了其他方式的光探针,如日本的Kawata等发展的球状棱镜探针,德国的Fischer等研制的四面体探针,以及zui近KNOLL等利用半导体(如硅)聚合物制成的无孔散射探针等。上述微探针的方案对于我们来说是不太可能的,因为要求的制作工艺水平很高,需要专门的设备,又由于我们的SNIM设计选择了反射模式,zui终采用了光纤探针的方案。

在微探针研制过程中,要考虑两个方面的问题:一方面,必须使光探针的通光小孔尽可能小,另一方面,要使通过通光小孔的光流量尽可能的大,以得到高的信噪比。对于光纤探针,针部的直径愈小分辨率愈高,但是通光率将变小。同时要求探针锥尖部分越短越好,因为锥尖越长,光传播通过一个小于其波长的波导也就越远,这样光衰减就越大。所以,光纤探针制作中所追求的目标是得到一种针部尺寸小和锥尖部分短的针尖。

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