近场光学原理简介

 

   

    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 ApertureN.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。与空间频谱的关系由傅立叶变换确定:

 

 

1-2

fxfy分别为沿xy方向的空间频率分量,反比于物体的结构尺寸。当光传播到探测平面z时,复振幅和空间频谱满足同样的关系:

 

 

1-3

光场分布满足标量亥姆霍兹方程:

 

 

1-4

其中,为总空间频率。将式1-3代入式1-4得:

 

 

1-5

为待定系数,由初始条件确定。z = 0处为物平面,其空间频谱为,因此有:

 

 

1-6

将上式代入式1-3得:

 

 

 

1-7

可见,探测面z上的光场分布是z = 0平面上的平面波乘以传播因子后的线性叠加,波的性质和传播方向取决于fxfy的大小。

当时,式1-6的指数部分为虚宗量,此时在z = 0平面上形成空间频率满足的平面波,即空间频率的每一分量都可以向前传播形成辐射波或传播波,为波的相位变化因子。

当时,对应于光场分布的高空间频率fxfy,即物体上的小尺寸结构,式1-6变成:

 

 

1-8

指数部分的宗量为实数,表明振幅随z的增加呈指数规律衰减,即该波只局域在物体表面而不能向远处传播,形成局域在物体表面的近场隐失波。而式1-7则表示以光波频率振荡的波在xy方向可以传播,沿z方向衰减。

从以上分析可以看到,在物体表面的近场光包含两种成分,一种是可以向远处传播的传播场;另一种是被局域在物体表面,在物体之外迅速衰减的非辐射隐失场。隐失场是非均匀场,其性质与样品的性质和结构有密切关系。这种场因物质的存在而存在,不能在自由空间独立地存在。

物体亚波长结构的信息隐藏在隐失场中。隐失场的强度随着离物体距离的增大而迅速衰减,衰减的速度与空间频率成正比,所以结构越是精细,场就越被强烈地束缚在物体表面。而远场只有传播波,仅包含电磁场的低空间频率部分,不包含样品的亚波长结构信息。瑞利判剧建立在远场探测传播场的基础之上,仅在远场成立,而近场的隐失场并不受它的约束。因而,若想获得超衍射极限的分辨率,必须利用近场隐失场。

 

3. 隐失波场的探测

    近场探测的原理是:(1)无论用传播场还是隐失场照明,高频物体均产生隐失场;(2)所产生的隐失场不服从瑞利判据,它们能够在远小于波长的距离上显示局部的强烈变化;(3)通过采用一个小的有限物体(如孔径或者无孔径探针)将隐失场转换成传播场和隐失场的方法,这种不可探测的高频局部场可以反过来转换成传播场;(4)将后者导向合适的远端探测器。注意,隐失场—传播场的转换是线性的:被探测到的场正比于给定点的隐失场的坡印廷矢量。那么传播场将忠实地复制隐失场局域的剧烈变化。因此,用探测器探测到的传播场中包含物体的高频信息。为了产生二维图象,使这个小的有限物体沿物体表面进行扫描,由所得到的探测数据重构图象。

 

 

 

             近场探测原理

近场光学原理简介

 

 

镀金属膜纳米光纤探针截面图(SII

4.近场光学/纳米光学的应用

基于近场光学技术的光学分辨率可以达到纳米量级,突破了传统光学的分辨率衍射极限,这将为科学研究的诸多领域,尤其是纳米科技的发展提供有力的操作、测量方法和仪器系统。目前,基于隐失场探测的近场扫描光学显微镜、纳米局域测量表征的近场拉曼光谱仪已经成为纳米物理、纳米生物学、纳米化学、纳米材料科学等领域中的重要工具,并且应用范围正在不断地扩大。而基于近场光学/纳米光学的其它应用,如纳米光刻和超高密度近场光存储、纳米结构表面等离子光学元器件、纳米尺度粒子的捕获与操纵等等,也吸引了众多科学工作者的注意。