傳統光學顯微鏡與近場光學顯微鏡

      近場光學顯微鏡是對于常規光學顯微鏡的革命。它不用光學透鏡成像,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。分析了傳統光學顯微鏡與近場光學顯微鏡成像原理的物理本質和兩種顯微鏡系統結構的異同點。介紹了光纖探針的制作方法。重點討論了近場探測原理、光學隧道效應及非輻射場的性質。

　　傳統光學顯微鏡是顯微鏡家族里最年長的成員,迄今已有幾百年的歷史。它曾經是觀測微小結構的唯一手段。傳統的光學顯微鏡以光學透鏡為主體,利用透鏡將物體放大或成像。一般地講,單個透鏡能將物體放大幾十倍,使用透鏡組合幾乎可放大到近千倍。光的衍射效應限制了光學顯微鏡進一步提高分辨力的可能性。這就是瑞利分辨力極限。

　　1982年,瑞士蘇黎世IBM的G.Binning和H.Rohrer[1]等發明了掃描隧道顯微鏡(STM),極大地提高了觀測靈敏度,其橫向分辨力達到0.01nm,縱向分辨力為0.001nm,比傳統的電子顯微鏡提高兩個數量級[2]。這是顯微鏡發展史上的一個重要的里程碑。以后相繼出現了同STM技術相似的新型掃描探針顯微鏡(SPM)[3]。

　　SPM不采用物鏡成像,而用探針的針尖在樣品表面上方掃描來獲得樣品表面的信息。不同類型的SPM主要表現在針尖的特性不同、針尖與樣品之間的相互作用性質不同。以原子力顯微鏡(AFM)為代表的掃描力顯微鏡(SFM)通過控制、檢測針尖與樣品間的相互作用力(如:原子間的斥力、摩擦力、彈力、范德瓦耳斯力、磁力和靜電力等),分析研究樣品表面的性質。

　　AFM的橫向分辨力可達2nm,縱向分辨力為0.01nm,超過了普通掃描電子顯微鏡的分辨力,而AFM對工作環境和樣品制備的要求卻很少。

　　掃描隧道顯微鏡(STM)的成果很快被應用到光學領域,極大地推動了近場光學顯微鏡(SNOM)的發展。1984年,瑞士蘇黎世IBM的D.Pohl等人利用微孔徑作為微探針制成了第一臺近場光學顯微鏡。同時,美國康奈爾大學的E.Betzig等也制成了用微管(micropipette)作探針的近場光學顯微鏡[5]。隨后,各種各樣的近場光學顯微鏡逐漸走向成功,開始應用于表面超精細結構的光學現象觀測校樣。文中還介紹了近場光學顯微鏡的最新動態等。

傳統光學顯微鏡概述

　　傳統的光學顯微鏡由光學透鏡組成。利用材料的折射率和透鏡的曲率將被觀察物體放大以獲得其細節信息。然而,光學顯微鏡的放大倍數不能任意增大,它要受到光學衍射極限的限制。

　　德國物理學家阿貝(E.Abbe),用衍射理論預言了分辨力極限的存在。以后瑞利(L.Rayleigh)用簡明的公式表述如下:

　　其中r為兩點間的距離,λ為光束的波長,n為介質的折射率,θ為將光束收集和聚焦到探測器的透鏡的半角孔徑。它規定了兩點剛好被分辨的距離,該量由成像系統參數所決定。上述不等式說明為提高分辨力(即減小距離r),只能夠通過以下三個途徑:(1)選擇更短的波長(若選擇uv電磁輻射、x射線、或電子束會更有效)。(2)為提高n,用折射率很高的材料工作。這是浸油顯微鏡的原理,由Amici在19世紀中葉發明。(3)增大顯微鏡的孔徑角。電子顯微鏡用電子束代替光束,使得分辨力大大提高。應該注意到瑞利判據是建立在傳播波的假設下,如果能夠探測非輻射場,那么就能期望規避瑞利判據而且完全突破衍射壁壘的限制。

　　我們知道,通過任何成像系統的信息變換都可由一個表征物體特征的函數與表征儀器性質的儀器函數之乘積表示。前一個函數與物體的空間頻率相關,后一個表示物體對每一個空間頻率的變換系數。一般地說,對低空間頻率變換系數接近于1,高空間頻率時它就下降到0。由此,可以確定一個截止頻率,超過它時沒有信息被傳輸。這個儀器函數叫做傳遞函數,不管成像系統結構如何以及怎樣照明物體,它是唯一的和完全確定的。換句話說,知道了物體結構和傳遞函數就可能十分精確地預言像的強度分布。

　　對于成像系統能夠定義唯一一個傳遞函數。由這個性質可引出如下結論:物體與探測器(這里就是顯微鏡物鏡)之間沒有任何相互作用。換句話說,物體發射的光在成像時沒有(或者幾乎很少)受到物境的擾動。當然,這個性質也可以被理解為:因為傳播,光從物體到達透鏡。但從物境到達物體的光的數量極其微弱。用數學術語我們可以說,在普通光學顯微鏡中信息傳遞

　　本質上是非對稱的:信息只從物體到達探測器。若改變探測一收集系統,我們就改變了系統的濾波特性,但是物與像的關系保持線性。這個性質非常重要,它使我們能夠期望得到任意精度的像。

近場光學顯微鏡原理

　　我們可將成像過程理解如下:當一個光源發射的光子或電子投射到目標物體后,經過反射,被某種探測器所俘獲或接收(如觀察者的眼睛或照相機)。由于反射粒子的軌跡和數量與物體的性質有關,粒子束就攜帶了關于物體特性的信息。我們稱在一個目標上的投影為“像”。在物理上,物體和像是極其不同的:物體一般是三維的;而像通常是與物體結構相關物理量的二維投影,因為紀錄介質是二維的。這個物理量一般是光強,因為探測器只對光強敏感。我們若用與物體相關的光場來代替物體本身,就可能研究物場與像場關系,即物場強度與其在像平面上強度之間的關系。然而,首先需要回答的問題是:物體結構與物體的光場之間是什么關系?原則上,麥克斯韋方程組提供了研究這個問題的途徑:在外部電磁場作用下,物體內部的電子電流或電荷密度的分布變化;振蕩的電荷和電流又會引起電磁場的變化,使其能夠從物體表面傳播到外部空間。根據連續性原理,似乎可邏輯地推理得出以下結論:由極其靠近物體的空間場分布可以還原出物體表面的電荷和電流的分布。由于電荷或電流分布僅在極小的距離上變化(一般小于波長的距離),我們同樣假設“極其靠近物體的空間場”也只在這樣小的距離上變化。

　　然而,這個推理與實際觀測和分析的結果矛盾。事實上,我們能夠探測的最小距離總是要大于半個波長。直到目前為止,所有的觀察、分析和測量都是遠離物體所作出的(至少大于幾個波長的距離)。所以,我們應該區分兩個范圍不同的場:第一個場從物體表面到幾個納米的距離叫做近場;第二個場是近場以外的區域叫做遠場,它從近場一直延伸到無窮遠。遠場是常規探測儀器如顯微鏡、望遠鏡以及其他儀器所能探測的光場。關于近場,早在一個世紀以前就知道其結構并不簡單。它包含兩個分量:一個分量能夠傳播,另一個分量局限于表面且急劇衰減,被稱為倏逝波(evanescent wave)。后一個分量是非均勻波,其性質不僅與物體的表面、更與物體的材料緊密相關。它因物體的存在而存在,不能在自由空間存在。