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近场扫描光学显微镜的原理和应用

更新时间:2011-10-03点击次数:1750

 

近场扫描光学显微镜的原理和应用
    自从阿贝和瑞利时代起,人们就知道经典光学显微镜的分辨率是受衍射限制的,通过光学系统可以分辫的zui小距离。这是因为场与有限大小物体的相互作用可分为两部分:一个是与低空间频率相的扩散场,t<2/1;一个是与高空间频率相的耗散场,f>2/1.现在我们了解到,由于物体所传播的远场中不包括耗散场这一项,所以小于波长尺寸物体的探测就有很大困难,.zui近,一种新型的光学显微镜—近场扫描光学显微镜或扫描隧道光学显微镜已发展起来.这种显微镜的基本原理是探测小于波长尺寸的物体所传播的近场,这就解决了上述主要问题.
    在70年代初,Ash和NichollsW证明T在微波波段的超分辨率显微镜原理.在这以后大约十年内这项技术没有很大发展.直到1984年G. Massey等人发表了他们zui初的实验结果,把Ash和Nicholls的理沦护展到了可见光波段.然后,很多关于近场技术的报告纷纷发表。例如。Ficher用一个较大的孔来扫描低于波长大小的结构,并给出了一系列有趣的实验结果,但这些结果由于种种原因难于解释。Massey把近场成像技术发展到远红外波段,这一发展得到很多应用。Poh等人研究了被他们称做是“光学诊断器”的超分辨率显微镜(iil,这种显微镜与E. Betzig等人在986年提出的近场扫描光学显微镜(NSOM)系统相似,但它无论从理论到实验上都还很不完善。此后一些报道进一步完善了NSOM系统,并把它应用于生物结构及其他一些微小结构样品.
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奥林巴斯显微镜
    奥林巴斯显微镜的zui基本思想如所示.人射光垂直射人带有一个小孔(尺度小于波长尺度)的屏上,由于屏是不透明的,人射光透过小孔出射到屏以下区域.在近场区域(相对于孔平面)出射光被限制于孔的尺寸范围内,而与人射光的波长无关.在远场,人射光发生明显的衍射效应,以致不能得到孔的几何成像.应用准直现象,可把待测样品放庄孔的近场区域
内.在这种情况下孔相当于一个光源,它的尺寸不再受几何光学的限制,保侧从样品透过的
或反射的光可产生一个高分辨率的成像.因为分辨率依赖于孔的尺寸而不是波长,所以如果孔足够小,可得到10nm或更小的分辨率。
    在此基本理论的基础上,有人提出了反射近场光学显微镜的模型。它讨论了一个导光
的介质尖锥与小于波长尺度粗糙表面之间光的相互作用.这一模型的一种实验方案。
    用He-Ne激光器做照射光源.透镜把平行光聚焦从侧面照射样品,样品表面外即产生一指数衰减的耗散场.当导光的锥尖处于这一场区时,它即刻把耗散场(evanescent field)的光传导给光探测器.计算机对光电信号进行数字化处理可得出三维成像.介质尖锥尺寸及其与样品的距离都小于光的波长.
    玻璃片上吸附物的三维图像.介质锥尖与样品间的距离不变,玻璃片上吸附物的三维图像横向和纵向分辨率都优于50 nm,zui高可接近10nm不难理解,介质锥尖制作是关键技术之一,锥尖尺寸越小越好,它直接影响图像的横向分辨率.介质锥尖与样品表面间的距离必须足够小,否则达不到近场条件要求,它直接影响图像的纵向分辨率.
近场光学扫描显微镜的实验结果是令人鼓舞的,其分辨率已达到了很高的水平,尽管还还可进一步开发,应用范围还可进一步扩大。