今天芬創(chuàng)資訊為大家整理的光電理論是關于近場光學的，里面為光學人介紹了相關定義與原理，有興趣的朋友們可以轉(zhuǎn)發(fā)收藏！

定義

近場光學是研究距離物體表面一個波長以內(nèi)的光學現(xiàn)象的新型交叉學科?；诜禽椛鋱龅奶綔y與成像原理，近場光學顯微鏡突破常規(guī)光學顯微鏡所受到的衍射極限，在超高光學分辨率下進行納米尺度光學成像與納米尺度光譜研究。近場光學顯微鏡在超高分辨率光學成像，近場局域光譜，高密度數(shù)據(jù)存儲，在生命科學，單分子光譜，量子器件發(fā)光機制等領域中有著廣泛應用。

近場與遠場

物體表面外的場分布可以劃分為兩個區(qū)域：一個是距物體表面僅僅幾個K的區(qū)域，稱為近場區(qū)域；另一部分從近場區(qū)域外至無窮遠處稱為遠場區(qū)域。常規(guī)的觀察工具如顯微鏡，望遠鏡及各種光學鏡頭均處于遠場范圍。近場的結(jié)構則相當復雜。一方面它 包括可以向遠處傳播的分量， 又包括了僅僅限于物體表面一個波長以內(nèi)的成分。人們在一個世紀以前就意識到近場的存在及其復雜性： 它的特征是“依附”與物體表面， 其強度隨離開表面的距離增加而迅速衰減，不能在自由空間存在， 因而被稱為隱失波( evanescent wave)。

發(fā)展

80年代以來, 隨著科學與技術向小尺度與低維空間的推進與掃描探針顯微技術的發(fā)展，在光學領域中出現(xiàn)了一個新型交叉學科——近場光學。近場光學對傳統(tǒng)的光學分辨極限產(chǎn)生了革命性的突破。新型的近場光學顯微鏡 ( NSOM——Near-field Scanning Optical Microscope，或稱 SNOM)的出現(xiàn)使人們的視野由入射光波長一半的尺度拓展到波長的幾十分之一，即納米尺度。在近場光學顯微鏡中，傳統(tǒng)光學儀器中的鏡頭被細小的光學探針所代替，其尖端的孔徑遠小于光的波長。

早在1928年, Synge提出：用入射光透過孔徑為10nm 小孔照射到相距為10nm的樣品后， 以10nm的步長掃描并且收集微區(qū)的光信號時，就可能獲得超高分辨率。在這種直觀的描述中, Synge已經(jīng)清楚地預測了現(xiàn)代近場光學顯微鏡的主要特征。

1970年，Ash 和 Nicholls 應用近場的概念， 在微波波段( K=3cm)實現(xiàn)了分辨率為 K/ 60的二維成像。

1983年，BM 蘇黎世研究中心成功地在金屬鍍膜的石英晶體尖端制備了納米尺度的光孔。利用隧道電流作為探針和樣品間距的反饋，獲得 K/ 20的超高光學分辨率的圖象。

使近場光學能引起更廣泛關注的推動來自于AT&T Bell 實驗室。1991年 Betzig 等人用光 學纖維制成高通光率的錐形光孔， 側(cè)面蒸鍍金屬薄膜，加上獨特的切變力探針-樣品間距調(diào) 控法，不但使透過的光子通量增加了幾個數(shù)量級，同時又提供了一種穩(wěn)定、可靠的調(diào)控方法，引發(fā)了近場光學顯微鏡在生物、化學、磁光疇與高密度信息存儲器件、量子器件等不同領域中高分辨光學觀察中的一系列研究。

近場探測原理

近場光學探測是由一系列轉(zhuǎn)換完成的：

(1) 當用傳播波或隱失波照射高空間頻率的物體時， 將產(chǎn)生隱失波；

(2) 這樣產(chǎn)生的隱失場不服從瑞利判據(jù)。這些場在遠小于一個波長的尺度的局部范圍內(nèi)有很大的變化；

(3) 根據(jù)互易原理， 這些不可探測的高頻局域場可以通過微小物體的轉(zhuǎn)換而將這個隱失場轉(zhuǎn)換為新的隱失場以及傳播場；

(4) 傳播場被適當?shù)倪h距離探頭所記錄。在這里，由隱失場到傳播場的轉(zhuǎn)換是線性的，即探測到的場強與相應的隱失場中的Poynting 矢量成比例，因此探頭獲得的信息準確反映精細結(jié)構的局部變化， 當用一個微小物體 (如光纖探針的尖端)進行平面掃描時， 就可以得到二維圖像。

綜上所述，由傳播場到隱失場的轉(zhuǎn)換是通過衍射或繞射機制實現(xiàn)的，反之亦然。這樣的逆轉(zhuǎn)換相應于光子的隧道效應。

分析近場成像問題

分析近場成像問題時，有必要將整個成像過程分為兩個部分。

(1)入射光與樣品的相互作用；在樣品表面產(chǎn)生非輻射型隱失波(當然同時也產(chǎn)生傳播波)；

(2) 探針與樣品的相互作用及其與成像的關系：當探針進入近場范圍時，其針尖接收到含有樣品細節(jié)信息的隱失波，而 產(chǎn)生新的隱失波及傳播波。這個傳播波可以被探頭接收而成像。

近場光學顯微鏡

基本類型

近場光學顯微鏡的主要目標是獲得與物體表面相距小于波長K的近場信息， 即隱失場的探測。雖然已經(jīng)出現(xiàn)了許多不同類型的近場光學顯微儀器， 但它們有一些共同的結(jié)構。如同其他掃描探針顯微鏡( STM、AFM…)， 近場光學顯微鏡包括： (1)探針，(2) 信號采集及處理，(3)探針-樣品間距 z-的反饋控制，(4) x-y 掃描及(5) 圖像處理。這里(4)(5)是已經(jīng)成熟的掃描探針顯微技術。采用計算機控制電子線路，微區(qū)的掃描一般由壓電技術來實現(xiàn)，控制精度可以優(yōu)于0. 01nm，豐富的圖形處理方法可以將數(shù)字圖像做平滑、濾波、襯度、亮度處理， 傅里葉變換濾波等。而(1), (2), (3)則與其他技術有區(qū)別。

(1) 探針：與 STM 中的金屬探針和 AFM 的懸臂探針不同的是, 這里一般采用介電材料探針，可以發(fā)射或接受光子，尖端尺度在10～100nm，以能夠?qū)⑹占降墓庾觽魉偷教綔y器， 探針可用拉細的錐形光纖， 四方玻璃尖端，石英晶體等制成，探針的核心問題是小尺度和高的光通過率。

(2) 信息探測：由于光子信息均來自于納米尺度區(qū)域，信號強度一般很低( ～nw/ cm2), 因而需經(jīng)光電倍增管、光二極管、光子計數(shù)或電荷耦合器件(CCD)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號而放大。同時利用調(diào)制-鎖相放大技術抑制噪聲。以提高信噪比。

(3) 探針-樣品間距控制: 理想的調(diào)控方法應當是與光信號的探測完全獨立的機制，以使待測信號不受到干擾，避免引入復雜性。而實際方案中則難于避免這一問題，目前常用的方法有：i)隱失場調(diào)控：利用隱失場強度隨 z-增加而指數(shù)下降關系，將探針放入隱失場里，控制范圍0～K/ ( 30～40)，這種方法中，探測光信號與調(diào)控信號有較強相互影響。ii) 切變力調(diào)控：當以本征頻率振蕩的探針靠近樣品表面時( < 50 nm)，由于振蕩的針尖與樣品間作用力( Van derWaals，毛細力，表面張力等)，其振蕩幅度及相位均會有較大變化，利用這個變化可以將探針控制在 z= 5～20 nm 范圍，比較成熟的方案有切變力調(diào)控方式，雙束干涉，共振音叉和超聲共振方式等。

與STM中的電子隧道效應相比，光的傳播特性使近場光學顯微鏡有新的特點；首先光子很容易向遠處傳播，因此易與觀察物以外的物體或缺陷發(fā)生反射、衍射，這些相互作用將使所觀察場的真實情況改變。因此，要找到一種完全獨立的探針-樣品間距控制方法；其次，如前面所述。在近場區(qū)域， 傳播分量與非傳播分量是共存的， 因而實際強度與 z -的關系并不是理想的指數(shù)衰減形式。在許多文獻中描述的完美的指數(shù)衰減僅能出現(xiàn)在理想平面中, 而實際上這些實驗分布已經(jīng)被傳播場所調(diào)制。

應用實例

近場光學顯微鏡已經(jīng)從80年代初期的概念性示范、90年代初期各類新型儀器開發(fā)，到目前成熟應用的階段，在物理、化學、生物、材料科學中的應用范圍不斷擴大。下面列舉一些引人注目的應用領域。

高分辨率光學成像

新的掃描探針顯微鏡發(fā)展的初期總是要獲得盡可能高的空間分辨率。早期的NSOM 利用石英晶體表面的金屬鍍層上的微孔作為探針， 獲得波長的幾十分之一的水平分辨率。當采用亞波長孔徑的光纖作為探針和切變力樣品-探針間距控制法后，已有分辨率為12 nm 的報道。然而，由于制備孔徑小于30 nm 的光纖探針存在著很大的難度，以及這種尺度光通量極弱，使人們甚至認為這種方案的分辨率極限為30 nm。在反射模式下，由于光信號在到達探測系統(tǒng)前已經(jīng)經(jīng)歷了多重反射，使分辨率進一步降低。然而由于這種可靠性高的方案可以滿足相當多應用的要求，已經(jīng)成為 NSOM 的常規(guī)方法。其他特殊的無孔方式，如四面體探頭法， 局部電磁場擾動法可以獲得更高、甚至接近原子分辨本領。

局域光譜

利用低溫近場光譜儀可以探測并且區(qū)分尺度為幾十納米的量子線的光發(fā)射，

近場發(fā)光譜

以及單個或多量子阱的發(fā)射譜。在研究GaAs/ GaAlAs 量子阱的激發(fā)譜時，觀察到遠場方式所得不到的尖銳發(fā)射線條，表面樣品發(fā)光的不均勻性；綜合運用磁場、溫度與給定激發(fā)波長的成像技術，可以準確地了解不同激發(fā)線的空間分布與界面的完整性。近有人在磁性半導體異質(zhì)結(jié)構( 含有磁性離子 M2+ 的 ZnSe/ ZnCaSe 量子阱)中，研究了激子的自旋行為，對載流子的擴散和激子輸運行為作出系統(tǒng)研究。近場光譜在研究量子點、納米晶體、表面缺陷與位錯、納米量子球及多孔硅等方面將發(fā)揮其獨特的作用。

高密度信息存儲

提高信息存儲密度是科研與工業(yè)界極為關注的重大問題。目前的光學及磁光讀寫方式均受到衍射極限的限制， 并且使用較短的激光波長對存儲密度提高不大。而近場光學的出現(xiàn)提供了一種新的原理，大大提高存儲密度。較早的示范性研究表明，利用近場磁光偏轉(zhuǎn)方法在 Pt/Co 多層磁光膜的記錄密度可高達45 Gbits/ inch2。近年來近場表面等離子增強散射、近場二向色法色法及固態(tài)浸沒鏡聚焦法等都有較大發(fā)展。近場光刻、相變材料及光致變色薄膜等研究為近場技術在高密度存儲上的應用提供新的機會。然而， 由于近場光學存儲在速度與可靠性上與商業(yè)應用尚有距離，許多相關的機制仍需較大發(fā)展。

生命科學應用及單個分子探測

近場光學顯微鏡能利用光學觀察的無損、原位探測的特點，對生物樣品進行高分辨研究，可以在分子水平或者更深的層次研究如細胞的有絲分裂、染色體的分辨與局域熒光， 原位DNA、RNA 的測序，基因識別， 單個膜孔通道、膜受體成像等。在進一步提高動態(tài)性能后，可能觀察活細胞中分子的動態(tài)代謝等動力學過程。