基本介紹
- 中文名：近場光學顯微鏡
- 外文名：near-field scanning optical microscope（NSOM）
- 專業：光學成像
背景簡介,近場光學顯微鏡原理,近場光學顯微鏡的組成部分,物鏡,探針與樣品間距的測控,光路,近場光學顯微鏡的套用,生物學研究套用,微電子技術方面的套用,
背景簡介
傳統光學顯微鏡(即遠場光學顯微鏡)是顯微鏡家族中年代最久遠的成員，它曾是觀測微小結構的唯一手段。傳統光學顯微鏡由光學透鏡組成，利用折射率變化和透鏡的曲率變化，將被觀察的物體放大，來獲得其細節信息。然而，光的衍射極限限制了光學顯微鏡分辨力的進一步提高。由瑞利分辨力極限可知，光學顯微鏡的放大倍數是不能任意增大的。瑞利判據建立在傳播波的假設下，如果能夠探測攜帶物體細節信息的倏逝波，就能規避瑞利判據，突破衍射極限的限制。
近場光學既是突破衍射極限的一種有效光學手段，它是隨著科學技術向小尺寸和低維空間推進所出現的光學領域中的一個新型交叉學科，其研究對象是距離物體表面一個波長（幾個納米）以內的光學現象。近場光學顯微術是一種新型超高解析度顯微成像技術，是探針技術與光學顯微技術相結合的產物，是近場光學中的一個重要組成部分。
近場光學成像不同於經典光學，它所涉及的是一個波長範圍內的光學理論和現象。所謂的“近場”區域內包含：（l）輻射場：是可向外傳輸的場成分；（2)非輻射場：是被限制在樣品表面並且在遠處迅速衰減的場成分。由於近場波體現了光在傳播時遇到空間光學性質不連續情況下的瞬態變化，所以可以通過探測樣品的倏逝波來探測樣品的亞波長結構和光學信息。近年來，近場光學顯微術在理論和實踐上都已取得了突破性的發展。
由於光子具有一些特殊的性質，如沒有質量、電中性、波長比較長(與電子相比較)、 容易改變偏振特性、可以在空氣及許多介電材料中傳播等等，近場光學在納米尺度觀察上起到其他掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡所不能取代的作用，引發了近場光學顯微鏡在納米尺度光學成像、納米尺度光學微加工與光刻、超高密度信息存儲、以及生物樣品的原位與動態觀察等一系列研究。在這個領域中，另一個新的發展是近場光學技術與近場光譜及時間分辨的結合。人們不但能夠分辨單一的分子，並且能得到單一分子發出的螢光光譜及與時間分辨(10 - 15s)相結合的介觀體系信息。同時，也提出了近場條件下解析度、襯度、偏振及光的傳播特性的新的理論問題。
近場光學顯微鏡原理
傳統的光學顯微鏡由光學鏡頭組成，可以將物體放大至幾千倍來觀察細節，由於光波的衍射效應，無限提高放大倍數是不可能的，因為會遇到光波衍射極限這一障礙，傳統的光學顯微鏡的解析度不能超過光波長的一半。比如，以波長λ=400nm的綠光作為光源，僅能分辨相距為200nm的兩個物體。實際套用中λ>400nm，解析度要更低些。這是因為一般的光學觀察都在距離物體很遠的位置（>>λ）。
近場光學顯微鏡根據非輻射場的探測和成像原理，能夠突破普通光學顯微鏡所受到的衍射極限，可以在超高光學解析度下進行納米尺度光學成像與納米尺度光譜研究。
近場光學顯微鏡由探針、信號傳輸器件、掃描控制、信號處理和信號反饋等系統組成。近場產生和探測原理：入射光照射到表面上有許多微小細微結構的物體上，這些細微結構在入射光場的作用下，產生的反射波包含限制於物體表面的倏逝波和傳向遠處的傳播波。倏逝波來自於物體中的細微結構（小于波長的物體）。而傳播波則來自於物體中粗糙的結構（大于波長的物體）後者不含任何物體細微結構的信息。如果將一個非常小的散射中心作為納米探測器（如探針)，放在離物體表面足夠近的地方，將倏逝波激發，使它再次發光。這種被激發而產生的光同樣包含不可探測的倏逝波和可傳播到遠處探測的傳播波，這個過程便完成了近場的探測。倏逝場與傳播場之間的轉換是線性的，傳播場準確地反映出隱失場的變化。如果用一個散射中心在物體表面進行掃描，就可以得到一幅二維圖象。根據互逆原理，將照射光源和納米探測器的作用相互調換一下，採用納米光源（倏逝場）照射樣品，因物體細微結構對照射場的散射作用，倏逝波被轉換為可在遠處探測的傳播波，其結果完全相同。
近場光學顯微是由探針在樣品表面逐點掃描和逐點記錄後數字成像的。圖1是一種近場光學顯微鏡的成像原理圖。圖中x-y-z粗逼近方式可以用幾十納米的精度調節探針至樣品的間距；而x-y掃描及z控制可用1nm精度控制探針掃描及z方向的反饋隨動。圖中的入射雷射，通過光纖引入探針，並可根據要求改變入射光的偏振態。當入射雷射照射樣品時，探測器可以分別採集被樣品調製的透射號和反射信號，並由光電倍增管放大，然後直接由模-數轉換後經計算機採集或通過分光系統進入光譜儀，以得到光譜信息。系統控制、數據採集、圖像顯示和數據處理均由計算機完成。由以上成像過程可以看出，近場光學顯微鏡可同時採集3類信息，即樣品的表面形貌、近場光學信號及光譜信號。
圖1 近場光學顯微鏡結構
圖1 近場光學顯微鏡結構近場光學顯微鏡的組成部分
物鏡
近場光學顯微鏡的核心部件是孔徑小于波長的小孔裝置，如光纖探針，它的幾何孔徑類似於顯微物鏡的數值孔徑。在光纖探針至被照明樣品距離一定時，光學探針透光孔徑的大小對近場光學顯微鏡的解析度起著關鍵的作用。對於近場光學顯微鏡，為了獲得較高解析度，一方面，必須使通過光學探針的光束在橫向上儘可能地受到限制；另一方面，也要使通過限制區域的光流量儘可能大，以提高信噪比。
探針與樣品間距的測控
近場光學顯微鏡是利用納米量級的高度局域的近場光獲得物體形貌像，它要求採用格線狀逐點掃描技術來獲取樣品的形貌像。在掃描過程中，一個很關鍵的問題是必須使探針與樣品間的距離控制在近場(幾納米至幾十納米)尺度範圍內並保持某一恆定值。因此，精確測控探針與樣品間的距離是近場光學顯微鏡中的一個很重要環節。 到目前為止， 已發展了幾種控制探針與樣品間距的測控技術，如：切變力強度測控技術，接觸型測控技術，隧穿電流強度測控技術，近場光強度測控技術。
光路
光路是近場光學顯微鏡的另一主要結構部件，它主要包括光源和照明光路以及收集光路和光探測器兩大部分。
圖2 四種典型的光路圖
圖2 四種典型的光路圖近場光學顯微鏡的套用
由於近場光學顯微鏡能克服傳統光學顯微鏡低解析度以及掃描電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡對生物樣品產生損傷等缺點，因此得到了越來越廣泛的套用，特別是在生物醫學以及納米材料和微電子學等領域，成為探索生物大分子活動奧秘的光學手段，給生物學家們帶來強有力的實驗武器。利用近場光學顯微鏡，已在生物學研究所涉及的許多領域展開了工作，不僅有靜態的形貌像的觀察研究，如細胞的有絲分裂，染色體的分辨與局域螢光，原位DNA，RNA的測序，基因識別等，還有利用觀察形貌像隨時間變化的動力學過程的研究。
生物學研究套用
由於光子的特性，近場光學顯微鏡在生物研究中具有許多優點：
(1)超越光學衍射極限的解析度，甚至可達到亞納米量級；
(2)光學顯微技術，無侵入性，可在生物的自然狀態環境下進行觀測研究；
(3)能夠觀測吸收、 反射、 螢光、 偏振對比度，透視生物樣品內部光學性質；
(4)光譜學分析，對化學狀態具有高解析度；
(5)局域(納米級)光與樣品的相互作用；
(6)單分子水平觀測靈敏度，1 photon/ sec ；
(7)納米空間解析度，高時間解析度(飛秒) ；
(8)能在室溫條件下工作。
微電子技術方面的套用
信息技術的核心是信息的高密度存儲。由於近場光學顯微鏡對環境條件要求低，以及已有的成熟的光碟技術基礎，因此，它已成為各種近場高密度信息存儲技術的強有力的競爭者。提高信息存儲密度是科研和工業界極為關注的重大問題。目前的光學及磁光讀寫方式採用的是遠場技術，由於受衍射極限的限制，讀寫斑的尺寸被控制在1 mm左右，存儲密度約為55 Mbit/cm2， 並且使用較短的雷射波長對存儲密度提高不大。而近場光學的發展提供了一種新的原理。由於掃描近場光學顯微鏡能突破衍射極限的限制，因而大大提高了存儲密度。
