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近场光学的近场光学显微镜的基本类型

2019.12.16

      近场光学显微镜 的主要目标是获得与物体表面相距小于波长K的近场信息, 即隐失场的探测。虽然已经出现了许多不同类型的近场光学显微仪器, 但它们有一些共同的结构。如同其他扫描探针显微镜( STM、AFM…), 近场光学显微镜包括: ( 1)探针,(2) 信号采集及处理,(3)探针-样品间距 z-的反馈控制,(4) x-y 扫描及(5) 图像处理。这里(4)(5)是已经成熟的扫描探针显微技术。采用计算机控制电子线路,微区的扫描一般由压电技术来实现,控制精度可以优于0. 01nm,丰富的图形处理方法可以将数字图像做平滑、滤波、衬度、亮度处理, 傅里叶变换滤波等。而(1), (2), (3)则与其他技术有区别。

(1) 探针:与 STM 中的金属探针和 AFM 的悬臂探针不同的是, 这里一般采用介电材料探针,可以发射或接受光子,尖端尺度在10~100nm,以能够将收集到的光子传送到探测器, 探针可用拉细的锥形光纤, 四方玻璃尖端,石英晶体等制成,探针的核心问题是小尺度和高的光通过率。

(2) 信息探测:由于光子信息均来自于纳米尺度区域,信号强度一般很低( ~nw/ cm2), 因而需经光电倍增管、光二极管、光子计数或电荷耦合器件(CCD)将光信号转换为电信号而放大。同时利用调制-锁相放大技术抑制噪声。以提高信噪比。

(3) 探针-样品间距控制: 理想的调控方法应当是与光信号的探测完全独立的机制,以使待测信号不受到干扰,避免引入复杂性。而实际方案中则难于避免这一问题,目前常用的方法有:i)隐失场调控:利用隐失场强度随 z-增加而指数下降关系,将探针放入隐失场里,控制范围0~K/ ( 30~40),这种方法中,探测光信号与调控信号有较强相互影响。ii) 切变力调控:当以本征频率振荡的探针靠近样品表面时( < 50 nm),由于振荡的针尖与样品间作用力( Van derWaals,毛细力,表面张力等),其振荡幅度及相位均会有较大变化,利用这个变化可以将探针控制在 z= 5~20 nm 范围,比较成熟的方案有切变力调控方式,双束干涉[,共振音叉和超声共振方式等。

与 STM 中的电子隧道效应相比,光的传播特性使近场光学显微镜有新的特点;首先光子很容易向远处传播,因此易与观察物以外的物体或缺陷发生反射、衍射,这些相互作用将使所观察场的真实情况改变。因此,要找到一种完全独立的探针-样品间距控制方法;其次,如前面所述。在近场区域, 传播分量与非传播分量是共存的, 因而实际强度与 z -的关系并不是理想的指数衰减形式。在许多文献中描述的完美的指数衰减仅能出现在理想平面中, 而实际上这些实验分布已经被传播场所调制。

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