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近場掃描光學(xué)顯微鏡的原理和應(yīng)用

更新時間:2011-10-03點擊次數(shù):1815

 

近場掃描光學(xué)顯微鏡的原理和應(yīng)用
    自從阿貝和瑞利時代起,人們就知道經(jīng)典光學(xué)顯微鏡的分辨率是受衍射限制的,通過光學(xué)系統(tǒng)可以分辮的zui小距離。這是因為場與有限大小物體的相互作用可分為兩部分:一個是與低空間頻率相的擴散場,t<2/1;一個是與高空間頻率相的耗散場,f>2/1.現(xiàn)在我們了解到,由于物體所傳播的遠(yuǎn)場中不包括耗散場這一項,所以小于波長尺寸物體的探測就有很大困難,.zui近,一種新型的光學(xué)顯微鏡—近場掃描光學(xué)顯微鏡或掃描隧道光學(xué)顯微鏡已發(fā)展起來.這種顯微鏡的基本原理是探測小于波長尺寸的物體所傳播的近場,這就解決了上述主要問題.
    在70年代初,Ash和NichollsW證明T在微波波段的超分辨率顯微鏡原理.在這以后大約十年內(nèi)這項技術(shù)沒有很大發(fā)展.直到1984年G. Massey等人發(fā)表了他們zui初的實驗結(jié)果,把Ash和Nicholls的理淪護展到了可見光波段.然后,很多關(guān)于近場技術(shù)的報告紛紛發(fā)表。例如。Ficher用一個較大的孔來掃描低于波長大小的結(jié)構(gòu),并給出了一系列有趣的實驗結(jié)果,但這些結(jié)果由于種種原因難于解釋。Massey把近場成像技術(shù)發(fā)展到遠(yuǎn)紅外波段,這一發(fā)展得到很多應(yīng)用。Poh等人研究了被他們稱做是“光學(xué)診斷器”的超分辨率顯微鏡(iil,這種顯微鏡與E. Betzig等人在986年提出的近場掃描光學(xué)顯微鏡(NSOM)系統(tǒng)相似,但它無論從理論到實驗上都還很不完善。此后一些報道進一步完善了NSOM系統(tǒng),并把它應(yīng)用于生物結(jié)構(gòu)及其他一些微小結(jié)構(gòu)樣品.
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奧林巴斯顯微鏡
    奧林巴斯顯微鏡的zui基本思想如所示.人射光垂直射人帶有一個小孔(尺度小于波長尺度)的屏上,由于屏是不透明的,人射光透過小孔出射到屏以下區(qū)域.在近場區(qū)域(相對于孔平面)出射光被限制于孔的尺寸范圍內(nèi),而與人射光的波長無關(guān).在遠(yuǎn)場,人射光發(fā)生明顯的衍射效應(yīng),以致不能得到孔的幾何成像.應(yīng)用準(zhǔn)直現(xiàn)象,可把待測樣品放莊孔的近場區(qū)域
內(nèi).在這種情況下孔相當(dāng)于一個光源,它的尺寸不再受幾何光學(xué)的限制,保側(cè)從樣品透過的
或反射的光可產(chǎn)生一個高分辨率的成像.因為分辨率依賴于孔的尺寸而不是波長,所以如果孔足夠小,可得到10nm或更小的分辨率。
    在此基本理論的基礎(chǔ)上,有人提出了反射近場光學(xué)顯微鏡的模型。它討論了一個導(dǎo)光
的介質(zhì)尖錐與小于波長尺度粗糙表面之間光的相互作用.這一模型的一種實驗方案。
    用He-Ne激光器做照射光源.透鏡把平行光聚焦從側(cè)面照射樣品,樣品表面外即產(chǎn)生一指數(shù)衰減的耗散場.當(dāng)導(dǎo)光的錐尖處于這一場區(qū)時,它即刻把耗散場(evanescent field)的光傳導(dǎo)給光探測器.計算機對光電信號進行數(shù)字化處理可得出三維成像.介質(zhì)尖錐尺寸及其與樣品的距離都小于光的波長.
    玻璃片上吸附物的三維圖像.介質(zhì)錐尖與樣品間的距離不變,玻璃片上吸附物的三維圖像橫向和縱向分辨率都優(yōu)于50 nm,zui高可接近10nm不難理解,介質(zhì)錐尖制作是關(guān)鍵技術(shù)之一,錐尖尺寸越小越好,它直接影響圖像的橫向分辨率.介質(zhì)錐尖與樣品表面間的距離必須足夠小,否則達(dá)不到近場條件要求,它直接影響圖像的縱向分辨率.
近場光學(xué)掃描顯微鏡的實驗結(jié)果是令人鼓舞的,其分辨率已達(dá)到了很高的水平,盡管還還可進一步開發(fā),應(yīng)用范圍還可進一步擴大。