传统光学显微镜与近场光学显微镜
近场光学显微镜是对于常规光学显微镜的革命。它不用光学透镜成像,而用探针的针尖在样品表面上方扫描获得样品表面的信息。分析了传统光学显微镜与近场光学显微镜成像原理的物理本质和两种显微镜系统结构的异同点。介绍了光纤探针的制作方法。重点讨论了近场探测原理、光学隧道效应及非辐射场的性质。
传统光学显微镜是显微镜家族里最年长的成员,迄今已有几百年的历史。它曾经是观测微小结构的唯一手段。传统的光学显微镜以光学透镜为主体,利用透镜将物体放大或成像。一般地讲,单个透镜能将物体放大几十倍,使用透镜组合几乎可放大到近千倍。光的衍射效应限制了光学显微镜进一步提高分辨力的可能性。这就是瑞利分辨力极限。
1982年,瑞士苏黎世IBM的G.Binning和H.Rohrer[1]等发明了扫描隧道显微镜(STM),极大地提高了观测灵敏度,其横向分辨力达到0.01nm,纵向分辨力为0.001nm,比传统的电子显微镜提高两个数量级[2]。这是显微镜发展史上的一个重要的里程碑。以后相继出现了同STM技术相似的新型扫描探针显微镜(SPM)[3]。
SPM不采用物镜成像,而用探针的针尖在样品表面上方扫描来获得样品表面的信息。不同类型的SPM主要表现在针尖的特性不同、针尖与样品之间的相互作用性质不同。以原子力显微镜(AFM)为代表的扫描力显微镜(SFM)通过控制、检测针尖与样品间的相互作用力(如:原子间的斥力、摩擦力、弹力、范德瓦耳斯力、磁力和静电力等),分析研究样品表面的性质。
AFM的横向分辨力可达2nm,纵向分辨力为0.01nm,超过了普通扫描电子显微镜的分辨力,而AFM对工作环境和样品制备的要求却很少。
扫描隧道显微镜(STM)的成果很快被应用到光学领域,极大地推动了近场光学显微镜(SNOM)的发展。1984年,瑞士苏黎世IBM的D.Pohl等人利用微孔径作为微探针制成了第一台近场光学显微镜。同时,美国康奈尔大学的E.Betzig等也制成了用微管(micropipette)作探针的近场光学显微镜[5]。随后,各种各样的近场光学显微镜逐渐走向成功,开始应用于表面超精细结构的光学现象观测校样。文中还介绍了近场光学显微镜的最新动态等。
传统光学显微镜概述
传统的光学显微镜由光学透镜组成。利用材料的折射率和透镜的曲率将被观察物体放大以获得其细节信息。然而,光学显微镜的放大倍数不能任意增大,它要受到光学衍射极限的限制。
德国物理学家阿贝(E.Abbe),用衍射理论预言了分辨力极限的存在。以后瑞利(L.Rayleigh)用简明的公式表述如下:
其中r为两点间的距离,λ为光束的波长,n为介质的折射率,θ为将光束收集和聚焦到探测器的透镜的半角孔径。它规定了两点刚好被分辨的距离,该量由成像系统参数所决定。上述不等式说明为提高分辨力(即减小距离r),只能够通过以下三个途径:(1)选择更短的波长(若选择uv电磁辐射、x射线、或电子束会更有效)。(2)为提高n,用折射率很高的材料工作。这是浸油显微镜的原理,由Amici在19世纪中叶发明。(3)增大显微镜的孔径角。电子显微镜用电子束代替光束,使得分辨力大大提高。应该注意到瑞利判据是建立在传播波的假设下,如果能够探测非辐射场,那么就能期望规避瑞利判据而且完全突破衍射壁垒的限制。
我们知道,通过任何成像系统的信息变换都可由一个表征物体特征的函数与表征仪器性质的仪器函数之乘积表示。前一个函数与物体的空间频率相关,后一个表示物体对每一个空间频率的变换系数。一般地说,对低空间频率变换系数接近于1,高空间频率时它就下降到0。由此,可以确定一个截止频率,超过它时没有信息被传输。这个仪器函数叫做传递函数,不管成像系统结构如何以及怎样照明物体,它是唯一的和完全确定的。换句话说,知道了物体结构和传递函数就可能十分精确地预言像的强度分布。
对于成像系统能够定义唯一一个传递函数。由这个性质可引出如下结论:物体与探测器(这里就是显微镜物镜)之间没有任何相互作用。换句话说,物体发射的光在成像时没有(或者几乎很少)受到物境的扰动。当然,这个性质也可以被理解为:因为传播,光从物体到达透镜。但从物境到达物体的光的数量极其微弱。用数学术语我们可以说,在普通光学显微镜中信息传递
本质上是非对称的:信息只从物体到达探测器。若改变探测一收集系统,我们就改变了系统的滤波特性,但是物与像的关系保持线性。这个性质非常重要,它使我们能够期望得到任意精度的像。
近场光学显微镜原理
我们可将成像过程理解如下:当一个光源发射的光子或电子投射到目标物体后,经过反射,被某种探测器所俘获或接收(如观察者的眼睛或照相机)。由于反射粒子的轨迹和数量与物体的性质有关,粒子束就携带了关于物体特性的信息。我们称在一个目标上的投影为“像”。在物理上,物体和像是极其不同的:物体一般是三维的;而像通常是与物体结构相关物理量的二维投影,因为纪录介质是二维的。这个物理量一般是光强,因为探测器只对光强敏感。我们若用与物体相关的光场来代替物体本身,就可能研究物场与像场关系,即物场强度与其在像平面上强度之间的关系。然而,首先需要回答的问题是:物体结构与物体的光场之间是什么关系?原则上,麦克斯韦方程组提供了研究这个问题的途径:在外部电磁场作用下,物体内部的电子电流或电荷密度的分布变化;振荡的电荷和电流又会引起电磁场的变化,使其能够从物体表面传播到外部空间。根据连续性原理,似乎可逻辑地推理得出以下结论:由极其靠近物体的空间场分布可以还原出物体表面的电荷和电流的分布。由于电荷或电流分布仅在极小的距离上变化(一般小于波长的距离),我们同样假设“极其靠近物体的空间场”也只在这样小的距离上变化。
然而,这个推理与实际观测和分析的结果矛盾。事实上,我们能够探测的最小距离总是要大于半个波长。直到目前为止,所有的观察、分析和测量都是远离物体所作出的(至少大于几个波长的距离)。所以,我们应该区分两个范围不同的场:第一个场从物体表面到几个纳米的距离叫做近场;第二个场是近场以外的区域叫做远场,它从近场一直延伸到无穷远。远场是常规探测仪器如显微镜、望远镜以及其他仪器所能探测的光场。关于近场,早在一个世纪以前就知道其结构并不简单。它包含两个分量:一个分量能够传播,另一个分量局限于表面且急剧衰减,被称为倏逝波(evanescent wave)。后一个分量是非均匀波,其性质不仅与物体的表面、更与物体的材料紧密相关。它因物体的存在而存在,不能在自由空间存在。
