今天芬創資訊為(wei) 大家整理的光電理論是關(guan) 於(yu) 近場光學的，裏麵為(wei) 光學人介紹了相關(guan) 定義(yi) 與(yu) 原理，有興(xing) 趣的朋友們(men) 可以轉發收藏！

定義(yi)

近場光學是研究距離物體(ti) 表麵一個(ge) 波長以內(nei) 的光學現象的新型交叉學科。基於(yu) 非輻射場的探測與(yu) 成像原理，近場光學顯微鏡突破常規光學顯微鏡所受到的衍射極限，在超高光學分辨率下進行納米尺度光學成像與(yu) 納米尺度光譜研究。近場光學顯微鏡在超高分辨率光學成像，近場局域光譜，高密度數據存儲(chu) ，在生命科學，單分子光譜，量子器件發光機製等領域中有著廣泛應用。

近場與(yu) 遠場

物體(ti) 表麵外的場分布可以劃分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 區域：一個(ge) 是距物體(ti) 表麵僅(jin) 僅(jin) 幾個(ge) K的區域，稱為(wei) 近場區域；另一部分從(cong) 近場區域外至無窮遠處稱為(wei) 遠場區域。常規的觀察工具如顯微鏡，望遠鏡及各種光學鏡頭均處於(yu) 遠場範圍。近場的結構則相當複雜。一方麵它 包括可以向遠處傳(chuan) 播的分量， 又包括了僅(jin) 僅(jin) 限於(yu) 物體(ti) 表麵一個(ge) 波長以內(nei) 的成分。人們(men) 在一個(ge) 世紀以前就意識到近場的存在及其複雜性： 它的特征是“依附”與(yu) 物體(ti) 表麵， 其強度隨離開表麵的距離增加而迅速衰減，不能在自由空間存在， 因而被稱為(wei) 隱失波( evanescent wave)。

發展

80年代以來, 隨著科學與(yu) 技術向小尺度與(yu) 低維空間的推進與(yu) 掃描探針顯微技術的發展，在光學領域中出現了一個(ge) 新型交叉學科——近場光學。近場光學對傳(chuan) 統的光學分辨極限產(chan) 生了革命性的突破。新型的近場光學顯微鏡 ( NSOM——Near-field Scanning Optical Microscope，或稱 SNOM)的出現使人們(men) 的視野由入射光波長一半的尺度拓展到波長的幾十分之一，即納米尺度。在近場光學顯微鏡中，傳(chuan) 統光學儀(yi) 器中的鏡頭被細小的光學探針所代替，其尖端的孔徑遠小於(yu) 光的波長。

早在1928年, Synge提出：用入射光透過孔徑為(wei) 10nm 小孔照射到相距為(wei) 10nm的樣品後， 以10nm的步長掃描並且收集微區的光信號時，就可能獲得超高分辨率。在這種直觀的描述中, Synge已經清楚地預測了現代近場光學顯微鏡的主要特征。

1970年，Ash 和 Nicholls 應用近場的概念， 在微波波段( K=3cm)實現了分辨率為(wei) 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(ti) 尖端製備了納米尺度的光孔。利用隧道電流作為(wei) 探針和樣品間距的反饋，獲得 K/ 20的超高光學分辨率的圖象。

使近場光學能引起更廣泛關(guan) 注的推動來自於(yu) AT&T Bell 實驗室。1991年 Betzig 等人用光 學纖維製成高通光率的錐形光孔， 側(ce) 麵蒸鍍金屬薄膜，加上獨特的切變力探針-樣品間距調 控法，不但使透過的光子通量增加了幾個(ge) 數量級，同時又提供了一種穩定、可靠的調控方法，引發了近場光學顯微鏡在生物、化學、磁光疇與(yu) 高密度信息存儲(chu) 器件、量子器件等不同領域中高分辨光學觀察中的一係列研究。

近場探測原理

近場光學探測是由一係列轉換完成的：

(1) 當用傳(chuan) 播波或隱失波照射高空間頻率的物體(ti) 時， 將產(chan) 生隱失波；

(2) 這樣產(chan) 生的隱失場不服從(cong) 瑞利判據。這些場在遠小於(yu) 一個(ge) 波長的尺度的局部範圍內(nei) 有很大的變化；

(3) 根據互易原理， 這些不可探測的高頻局域場可以通過微小物體(ti) 的轉換而將這個(ge) 隱失場轉換為(wei) 新的隱失場以及傳(chuan) 播場；

(4) 傳(chuan) 播場被適當的遠距離探頭所記錄。在這裏，由隱失場到傳(chuan) 播場的轉換是線性的，即探測到的場強與(yu) 相應的隱失場中的Poynting 矢量成比例，因此探頭獲得的信息準確反映精細結構的局部變化， 當用一個(ge) 微小物體(ti) (如光纖探針的尖端)進行平麵掃描時， 就可以得到二維圖像。

綜上所述，由傳(chuan) 播場到隱失場的轉換是通過衍射或繞射機製實現的，反之亦然。這樣的逆轉換相應於(yu) 光子的隧道效應。

分析近場成像問題

分析近場成像問題時，有必要將整個(ge) 成像過程分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 部分。

(1)入射光與(yu) 樣品的相互作用；在樣品表麵產(chan) 生非輻射型隱失波(當然同時也產(chan) 生傳(chuan) 播波)；

(2) 探針與(yu) 樣品的相互作用及其與(yu) 成像的關(guan) 係：當探針進入近場範圍時，其針尖接收到含有樣品細節信息的隱失波，而 產(chan) 生新的隱失波及傳(chuan) 播波。這個(ge) 傳(chuan) 播波可以被探頭接收而成像。

近場光學顯微鏡

基本類型

近場光學顯微鏡的主要目標是獲得與(yu) 物體(ti) 表麵相距小於(yu) 波長K的近場信息， 即隱失場的探測。雖然已經出現了許多不同類型的近場光學顯微儀(yi) 器， 但它們(men) 有一些共同的結構。如同其他掃描探針顯微鏡( STM、AFM…)， 近場光學顯微鏡包括： (1)探針，(2) 信號采集及處理，(3)探針-樣品間距 z-的反饋控製，(4) x-y 掃描及(5) 圖像處理。這裏(4)(5)是已經成熟的掃描探針顯微技術。采用計算機控製電子線路，微區的掃描一般由壓電技術來實現，控製精度可以優(you) 於(yu) 0. 01nm，豐(feng) 富的圖形處理方法可以將數字圖像做平滑、濾波、襯度、亮度處理， 傅裏葉變換濾波等。而(1), (2), (3)則與(yu) 其他技術有區別。

(1) 探針：與(yu) STM 中的金屬探針和 AFM 的懸臂探針不同的是, 這裏一般采用介電材料探針，可以發射或接受光子，尖端尺度在10～100nm，以能夠將收集到的光子傳(chuan) 送到探測器， 探針可用拉細的錐形光纖， 四方玻璃尖端，石英晶體(ti) 等製成，探針的核心問題是小尺度和高的光通過率。

(2) 信息探測：由於(yu) 光子信息均來自於(yu) 納米尺度區域，信號強度一般很低( ～nw/ cm2), 因而需經光電倍增管、光二極管、光子計數或電荷耦合器件(CCD)將光信號轉換為(wei) 電信號而放大。同時利用調製-鎖相放大技術抑製噪聲。以提高信噪比。

(3) 探針-樣品間距控製: 理想的調控方法應當是與(yu) 光信號的探測完全獨立的機製，以使待測信號不受到幹擾，避免引入複雜性。而實際方案中則難於(yu) 避免這一問題，目前常用的方法有：i)隱失場調控：利用隱失場強度隨 z-增加而指數下降關(guan) 係，將探針放入隱失場裏，控製範圍0～K/ ( 30～40)，這種方法中，探測光信號與(yu) 調控信號有較強相互影響。ii) 切變力調控：當以本征頻率振蕩的探針靠近樣品表麵時( < 50 nm)，由於(yu) 振蕩的針尖與(yu) 樣品間作用力( Van derWaals，毛細力，表麵張力等)，其振蕩幅度及相位均會(hui) 有較大變化，利用這個(ge) 變化可以將探針控製在 z= 5～20 nm 範圍，比較成熟的方案有切變力調控方式，雙束幹涉，共振音叉和超聲共振方式等。

與(yu) STM中的電子隧道效應相比，光的傳(chuan) 播特性使近場光學顯微鏡有新的特點；首先光子很容易向遠處傳(chuan) 播，因此易與(yu) 觀察物以外的物體(ti) 或缺陷發生反射、衍射，這些相互作用將使所觀察場的真實情況改變。因此，要找到一種完全獨立的探針-樣品間距控製方法；其次，如前麵所述。在近場區域， 傳(chuan) 播分量與(yu) 非傳(chuan) 播分量是共存的， 因而實際強度與(yu) z -的關(guan) 係並不是理想的指數衰減形式。在許多文獻中描述的完美的指數衰減僅(jin) 能出現在理想平麵中, 而實際上這些實驗分布已經被傳(chuan) 播場所調製。

應用實例

近場光學顯微鏡已經從(cong) 80年代初期的概念性示範、90年代初期各類新型儀(yi) 器開發，到目前成熟應用的階段，在物理、化學、生物、材料科學中的應用範圍不斷擴大。下麵列舉(ju) 一些引人注目的應用領域。

高分辨率光學成像

新的掃描探針顯微鏡發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(ti) 表麵的金屬鍍層上的微孔作為(wei) 探針， 獲得波長的幾十分之一的水平分辨率。當采用亞(ya) 波長孔徑的光纖作為(wei) 探針和切變力樣品-探針間距控製法後，已有分辨率為(wei) 12 nm 的報道。然而，由於(yu) 製備孔徑小於(yu) 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(men) 甚至認為(wei) 這種方案的分辨率極限為(wei) 30 nm。在反射模式下，由於(yu) 光信號在到達探測係統前已經經曆了多重反射，使分辨率進一步降低。然而由於(yu) 這種可靠性高的方案可以滿足相當多應用的要求，已經成為(wei) NSOM 的常規方法。其他特殊的無孔方式，如四麵體(ti) 探頭法， 局部電磁場擾動法可以獲得更高、甚至接近原子分辨本領。

局域光譜

利用低溫近場光譜儀(yi) 可以探測並且區分尺度為(wei) 幾十納米的量子線的光發射，

近場發光譜

以及單個(ge) 或多量子阱的發射譜。在研究GaAs/ GaAlAs 量子阱的激發譜時，觀察到遠場方式所得不到的尖銳發射線條，表麵樣品發光的不均勻性；綜合運用磁場、溫度與(yu) 給定激發波長的成像技術，可以準確地了解不同激發線的空間分布與(yu) 界麵的完整性。近有人在磁性半導體(ti) 異質結構( 含有磁性離子 M2+ 的 ZnSe/ ZnCaSe 量子阱)中，研究了激子的自旋行為(wei) ，對載流子的擴散和激子輸運行為(wei) 作出係統研究。近場光譜在研究量子點、納米晶體(ti) 、表麵缺陷與(yu) 位錯、納米量子球及多孔矽等方麵將發揮其獨特的作用。

高密度信息存儲(chu)

提高信息存儲(chu) 密度是科研與(yu) 工業(ye) 界極為(wei) 關(guan) 注的重大問題。目前的光學及磁光讀寫(xie) 方式均受到衍射極限的限製， 並且使用較短的激光波長對存儲(chu) 密度提高不大。而近場光學的出現提供了一種新的原理，大大提高存儲(chu) 密度。較早的示範性研究表明，利用近場磁光偏轉方法在 Pt/Co 多層磁光膜的記錄密度可高達45 Gbits/ inch2。近年來近場表麵等離子增強散射、近場二向色法色法及固態浸沒鏡聚焦法等都有較大發展。近場光刻、相變材料及光致變色薄膜等研究為(wei) 近場技術在高密度存儲(chu) 上的應用提供新的機會(hui) 。然而， 由於(yu) 近場光學存儲(chu) 在速度與(yu) 可靠性上與(yu) 商業(ye) 應用尚有距離，許多相關(guan) 的機製仍需較大發展。

生命科學應用及單個(ge) 分子探測

近場光學顯微鏡能利用光學觀察的無損、原位探測的特點，對生物樣品進行高分辨研究，可以在分子水平或者更深的層次研究如細胞的有絲(si) 分裂、染色體(ti) 的分辨與(yu) 局域熒光， 原位DNA、RNA 的測序，基因識別， 單個(ge) 膜孔通道、膜受體(ti) 成像等。在進一步提高動態性能後，可能觀察活細胞中分子的動態代謝等動力學過程。