納米光學(xué)及應(yīng)用

Nano-OpticsandApplications

Nanophotonics近場光學(xué)1Near-FieldOptics本講內(nèi)容什么是近場光學(xué)為什么要用近場光學(xué)——衍射極限近場光學(xué)基本原理一、什么是近場光學(xué)近場光（表面波）近場：從物體表面到一個波長以內(nèi)的距離。遠場：從近場以外一直延伸到無窮遠的區(qū)域。近場光學(xué)及近場光學(xué)顯微鏡概念1、近場光學(xué)：研究距離物體表面一個波長以內(nèi)光學(xué)現(xiàn)象的學(xué)科。2、近場光學(xué)顯微鏡：

用來觀測微觀尺度光學(xué)現(xiàn)象的新觀測工具。不用光學(xué)透鏡成像,而用探針的針尖在樣品表面上方掃描獲得樣品表面的信息。一、什么是近場光學(xué)一、什么是近場光學(xué)隱失場，隱失波，倏逝波二、為什么要用近場光學(xué)

傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡照片二、為什么要用近場光學(xué)

傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)sin相對光強曲線I/I0艾里斑主極大第一極小傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡－光學(xué)透鏡組成光學(xué)衍射極限

－艾里斑

光源聚光鏡樣品臺顯微鏡筒肉眼二、為什么要用近場光學(xué)

二、為什么要用近場光學(xué)

二、為什么要用近場光學(xué)

傳統(tǒng)光學(xué)分辨率極限提高傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡分辨率的途徑

1）選擇更短的波長

uv電磁輻射、x射線、或電子束

2）提高n,用折射率很高的材料工作浸油顯微鏡

二、為什么要用近場光學(xué)

提高顯微鏡分辨率的歷史概貌0.11101001000傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡掃描隧道顯微鏡場離子顯微鏡近場光學(xué)顯微鏡18001850190019502000分辨率/nm年二、為什么要用近場光學(xué)

12電子顯微鏡1938(分辨率0.1納米）

electronmicroscopy,

SEM二、為什么要用近場光學(xué)

場離子顯微鏡分辨率0.1納米）

Fieldionmicroscopy(FIM)二、為什么要用近場光學(xué)

14掃描穿隧式顯微鏡1982

scanningtunnelingmicroscopy,STM二、為什么要用近場光學(xué)

原子力顯微鏡1985

atomicforcemicroscopy,AFM二、為什么要用近場光學(xué)

磁力顯微鏡1987

magneticforcemicroscopy,MFM二、為什么要用近場光學(xué)

17掃描近場光學(xué)顯微鏡1986

scanningnear-fieldopticalmicroscopy,SNOM二、為什么要用近場光學(xué)

長期以來，光學(xué)顯微鏡的成像效果被認為受到光的波長限制，無法突破0.2微米、即光波長二分之一的分辨率極限。這3位科學(xué)家則以創(chuàng)新手段“繞過”這一極限，通過激光束激活熒光分子，在熒光分子發(fā)光的時候通過特別手段消除或過濾掉多余熒光，從而獲得比“極限”更精確的成像。二、為什么要用近場光學(xué)

回到近場光學(xué)二、為什么要用近場光學(xué)

二、為什么要用近場光學(xué)

二、為什么要用近場光學(xué)

二、為什么要用近場光學(xué)

二、為什么要用近場光學(xué)

二、為什么要用近場光學(xué)

二、為什么要用近場光學(xué)

三、近場光學(xué)基本原理

回顧傅里葉光學(xué)基本內(nèi)容隱失場三、近場光學(xué)基本原理

BasicconceptofFourierOptics

傅立葉光學(xué)的基本思想單色波入射，空間頻率信息會被特定方向的衍射波輸送出來，衍射波在近場彼此交織，到了遠場它們分開，從而達到分頻的目的.遠場分頻裝置是透鏡，衍射斑和圖象的空間頻率一一對應(yīng)，焦面就圖象的傅立葉頻譜面－－現(xiàn)代光學(xué)對夫瑯禾費衍射的新認識。yxy’x’F衍射屏光學(xué)圖象透鏡頻譜分析器夫瑯禾費衍射場傅立葉頻譜面三、近場光學(xué)基本原理

頻譜面物面頻譜面高頻信息物面

成像光學(xué)儀器就是一個低通濾波器。物平面包含從低頻到高頻的信息,透鏡口徑限制了高頻信息通過,只許一定的低頻通過,丟失了高頻信息的光束再合成,圖象的細節(jié)變模糊。入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯和費衍射，在頻譜面上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑發(fā)出的球面次波在相面上相干疊加，形成像。FABCB’A’C’三、近場光學(xué)基本原理

采用傅里葉光學(xué)平面波展開法，原點（x,y,0）得到的角譜

(2)

（3）E(x,y,0)y物場像場xyxzE(x,y,z)傅里葉光學(xué)角譜方法三、近場光學(xué)基本原理

由E(x，y，z

）處的光場

（4）

（5）三、近場光學(xué)基本原理

隱失場理論

1、隱失場的特征隱失波

(evanescentwave，衰逝波,迅消波、倏逝波等)尺寸小于波長的信息，包含在隱失場中。隱失場離開物體表面在空間急劇衰減。隱失場是非輻射場或非傳播場。四百年前，牛頓所做的棱鏡全反射就顯現(xiàn)倏逝波現(xiàn)象。三、近場光學(xué)基本原理

三、近場光學(xué)基本原理

隱失場的特征開口直徑微小開口產(chǎn)生的隱失場三、近場光學(xué)基本原理

隱失場的近場探測原理1）近場探測的基本原理：將隱失場中的攜帶有物體表面精細結(jié)構(gòu)信息，盡量不失真的帶到位于遠處的探測成像裝置中，再轉(zhuǎn)變成人眼所能夠觀察的圖像信號。

三、近場光學(xué)基本原理

隱失場的近場探測原理2）兩個光學(xué)窗口的探測問題A.遠場探測E(x,0)的角譜為：Z處角譜為z處的光波場

（7）2L2dxzz=Zz=0三、近場光學(xué)基本原理

緊貼屏后的電磁場El(x,z=0)

為:矩形函數(shù)為的傅里葉變換式為

帶入（7）

（8）2L2dxzz=Zz=0隱失場的近場探測原理三、近場光學(xué)基本原理

B.近場探測

z=ε處的光場透過ε屏后的電場為

此時在z=Z處探測到的光場為（9）

2L2dxzz=Zz=02lz=ε隱失場的近場探測原理三、近場光學(xué)基本原理

根據(jù)（8）和（9）繪制角譜圖狹縫(nm)，波長500nm的角譜圖1.01.01.0(a)(b)(c)ε=λ/50z=0z=Z>λ隱失場的近場探測原理三、近場光學(xué)基本原理

改變狹縫的寬度，考察探測成像的效果III

隱失場的近場探測原理三、近場光學(xué)基本原理

改變單狹縫與雙窗口間距，考察探測效果ε=70nmε=30nmε=10nm

III隱失場的近場探測原理三、近場光學(xué)基本原理

探頭準(zhǔn)確地放在物體表面納米尺度而又不碰撞采用逐點成像的方法：

1）將納米尺度的光信號收集,將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鳎辉賹⑵鋫鞑サ教綔y系統(tǒng)。2