近场扫描光学显微镜中一种新的切向力检测系统

在近场扫描光学显微镜（ＮＳＯＭ）［１］中,近场距离控制一般采用切向力控制法。检测切向力有两种方法：光学检测法和非光学检测法。目前普遍采用非光学检测法,基本上是采用压电陶瓷管控制探针和样品的距离。本文提出一种新的切向力检测系统,利用双压电片实现近场距离控制。实验结果表明,检测灵敏度大大提高,扫描力显微（ＳＦＭ）像的分辨率可达纳米量级。     

采用DDS的近场扫描光学显微镜探针-样品的纳米距离检测

近场扫描光学显微术中, 近场距离的检测和控制是需要解决的核心技术之一. 本文研究了基于DDS驱动的压电传感器, 在一个压电陶瓷片上, 电极被分成相同的两部分, 分别用于振动驱动和振幅检测. 近场扫描的光纤探针固定于此压电陶瓷片上. 振动驱动信号采用DDS, 在样品的远场时, 可以通过频率扫描得到误差在0.006 Hz以内的压电陶瓷片谐振频率驱动信号, 而当光纤探针处于样品的近场距离之内时, 压电陶瓷片的谐振频率偏离驱动信号频率, 振幅明显减小, 从而检测出近场距离. 高精度振动驱动源DDS和高灵敏度压电传感器的采用提高了检测灵敏度和工作稳定性.     

近场光学显微镜中利用剪切力原理进行样品/探针间距测控的非光学方法

扫描近场光学显微镜（ＳｃａｎｎｉｎｇＮｅａｒ－ｆｉｅｌｄＯｐｔｉｃａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＮＯＭ）自８０年代中期以来获得了迅速的发展并得到了具有纳米（亚纳米）尺度分辨率的光学图像。作为ＳＮＯＭ的关键技术之一，样品与探针间距的控制尤为重要，而实现起来比较困难。人们提出了多种方法，其中基于剪切力原理的控制方法最常用而且实验证明是可靠的。本文综述了扫描近场光学显微镜发展以来所出现的基于剪切力原理进行样品／探针间距的探测的一些主要的非光学方法。包括利用ＰＭＴ直接探测样品辐射，利用音叉、电容、阻抗以及压电效应的探没方法等，并对各种方法的优缺点进行了分析比较。     

扫描显微探针

 随着１９８２年世界上第一台原子分辨的隧道扫描显微镜（ＳＴＭ）问世,掀起了对物质表面微结构研究的热潮,而且蔓延到表面化学以及生物大分子等领域．同时对ＳＴＭ原理及检测技术的推广,促使了原子力显微镜（ＡＦＭ）、近场光学显微镜（ＳＮＯＭ）的发明．现在,以ＳＴＭ、ＡＦＭ、ＳＮＯＭ为代表的高分辨显微镜已经形成了一类新的显微成像技术──扫描探针显微术（ＳＰＭ）．ＳＰＭ最显著的特点就是采用一个极微小的探针（针尖一般在纳米尺度）,在样品表面极小的距离内移动,同时获得样品表面信息．当这极小的探针与样品表面的相互作用强烈依赖于极小的距离（大约是指数关系）,仪器的稳定性则是获得理想图像的关键.     

近场光学虚拟光探针的数值分析

虚拟光探针是基于近场光学隐失场干涉原理产生的一种非实体探针，可以应用于近场光学超高密度存储、纳米光刻、近场光学成像、光谱探测、纳米样品的近场光学操作等领域。本研究采用三维时间域有限差分（FDTD）方法对近场光学虚拟光探针的光场分布特性进行了数值模拟计算和比较，分析了孔的形状、大小及偏振态等因素对虚拟光探针光场分布的影响，研究结果表明虚拟光探针的通光效率较普通的纳米孔径光纤探针提高10^2-10^4倍；其光场分布的中间峰的半峰全宽（即虚拟光探针的尺寸）在一定距离范围内基本保持不变，从而可以解决近场光学系统中纳米间距控制的难题，避免光学头与介质的磁撞。优化虚拟光探针的设计参量能有效的抑制虚拟光探针中的旁瓣。文章还给出了应用虚拟探针实现高密度光存储的原理方案。     

“禁戒光”近场光学显微镜原理与系统

扫描近场光学显微术是８０年代后期发展起来的一种分辨率超过衍射极限的新型光学显微镜技术。本文介绍了国外最近出现的“禁戒光”近场光学显微镜系统的工作原理及结构。透射式ＳＮＯＭ中部分光沿着光轴向前传播；部分光沿着大于全内反射临界角的方向传播。前者称为允许光；后者称为禁戒光。应用“禁戒光”近场光学显微镜可同时获得三幅图像，即允许光像、禁戒光像和反映样品表面形貌的剪切力图像。禁戒光图像能够提供很好的对比度和分辨率。     

用扫描近场光学显微镜观察铁电畴

本文利用电畴的双折射随电畴的自发极化的取向而异的特性，采用反射式扫描近场光学显微镜，观察了铁电单晶的畴结构。横向分辨率约为50nm。对原有的Topometrix Aurora NSOM系统作了较大的改进。采用音叉（tunning fork）检测光纤探针与样品间的剪切力，取代了原有的光学法振动检测。对硫酸三甘氨酸[NH3CH2COOH）3．H2SO4）]（简称TGS）的观察说明，反工扫描近场光学显微镜，适合研究垂直b轴切割的TGS（010）面的自发极化。对这种180极化的多畴，可获得光学衬度较好电畴分布图像。与形貌图像相比，发现电畴与形貌无关。无论是新鲜解理的原子级光滑表面和表面水解的较为粗糙表面均可观察到分布较为均匀的电畴分布。     

纳米尺度的光学成像与纳米光谱———近场光学与近场光学显微镜的进展

近场光学是指当光探测器及探测器－样品间距均小于辐射波长条件下的光学现象．利用近场光学扫描显微镜和近场光谱仪，不但能够以突破衍射极限的超高分辨率在纳米尺度实现光学成像，而且还可获得纳米微区的光谱信息．文章介绍近场光学的原理及其在凝聚态物理领域中的应用与进展，并给出了我们的初步结果     

纳变尺度的光学成像与纳米光谱：近场光学与近场光学显微镜的进展

近场光学是指当光探测器及探测器一样品间距均小于辐射波长条件下的光学现象，利用近场光学扫描显微镜和近场光谱仪，不但能够以突破衍射极限的超高分辨率在纳米尺度实现光学成像，而且还可获得纳米微区的光谱信息，文章介绍近场光学的原理及其在凝聚态物理领域中的应用与进展，并给出了我们的初步结果。     

近场扫描光学显微镜和近场光谱学的进展

在简要评介近场扫描光学显微镜的工作原理和有关技术问题的基础上，着重介绍了近场光谱学的最新发展，并讨论了对近场光谱结果的分析问题。     

扫描近场红外显微镜近场距离控制系统的改进

针尖 样品的距离控制系统是扫描近场红外显微镜的重要组成部分。切变力探测作为一种重要的近场距离控制手段而得到了广泛的应用。介绍了一种对切变力探测系统的改进方法 ,它可以有效地提高石英晶振音叉的品质因数 ,进而提高探测系统对切变力感应的灵敏度。给出了理论分析和实验验证结果     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

剪切力模式近场扫描光学显微镜的恒幅反馈控制方法研究

剪切力模式近场扫描光学显微镜(Near-field Scanning Optical Microscopy,NSOM) 的音叉探针间距控制系统中,用相位反馈控制和检测剪切力,同时采用比例＋积分（PI）技术实现对音叉探针振幅的反馈控制,使探针振幅在扫描过程中保持为恒定值.用相位信号作为探针与样品间距控制信号,分别在无振幅反馈和有振幅反馈两种情况下,以不同速率扫描得到标准CD_RW光盘光栅的两组图像,并进行了比较分析.实验表明,恒振幅反馈电路的引入有助于提高探针系统的响应速度和灵敏度,改善所得图像的质量及分辨率.     

近场光学在高密度存储中的应用

近场光学在高密度存储方面有着很大的潜力 ,使得近场光学存储近年来得到了广泛的关注。近场光学存储具有高密度大容量及可以利用许多已有相关技术等优点 ,预计近场光学存储密度能达到 7Gbit/ cm2 ;它还可以采用硬盘驱动器中的空气悬浮磁头技术和磁光存储中的技术等 ,使近场存储的研究和开发更加迅速。目前 ,近场光学存储主要有三种方案 :探针型方案、超分辨率近场结构、固体浸没透镜方案 ,这三种方案都是通过不同的方法缩小记录光斑来实现高密度的存储。介绍了近场光学存储的原理、研究现状及材料 ,并对三种近场存储方案的实现方法和发展概况作了详细的阐述 ,分析了这三种方案的优缺点     

照明模式SNOM中样品对近场光场分布的影响

在同时考虑样品的形貌及材料光学参量和入射光偏振模式的情况下,利用基于边界元方法编写的二维矢量电磁场计算程序,对工作在照明模式下的扫描近场光学显微镜（Scanning Near-field Optical Microscope,SNOM）的近场矢量电磁场分布进行了数值计算模拟研究.结果表明,在没有表面形貌特征时,探针的光能量透射率随样品材料的折射率和损耗角的增加而增大,而样品表面光斑尺寸受折射率和损耗角的影响很小;对有形貌特征的探针扫描像研究结果表明,SNOM的分辨率随着样品的折射率和损耗角的增加而提高;对SNOM不同的工作模式的扫描成像信号进行的计算结果表明,恒定间距扫描方式比恒定高度扫描方式对样品表面的细节有较强的分辨能力.     

近场光学显微镜下的生物世界

扫描近场光学显微镜由于其超过常规光学显微镜的光学分辨能力及其一些特殊的功能,正在受到生物学家们越来越多的关注。文章介绍了近年来近场光学显微技术在生命科学研究中的应用和进展。     

用时阈有限差分方法研究光纤微探针近场分布特性

采用三维时间域有限差分（FDTD）方法研究了扫描近场光学显微镜中光纤微探针的近场分布特性,研究结果表明,锥形裸光纤探针的近场光中,以从探针锥变区侧面泄露的光即传播场为主,当在探针的侧面镀上一层金属膜对于从侧面泄露的光具有较好屏蔽效果,因而比裸光纤探针具有更好的空间束缚能力,无论是裸光纤探针还是金属膜探针,入射偏振光从针尖出射手发生了退极化现象,近场分布中产生与入射光偏振方向垂直的其它两个电场分量,而且金属膜探针的退极化分量对近场分布的影响比裸探针显著得多,如果在近场成像中接收退极化分量而不是总场则可以提高近场成像的对比度,还详细地分析了微探针的近场分布特征与退极化之间的关系。     

迈克耳孙干涉仪用于SFM/SNOM实验

以迈克耳孙干涉仪作为基本操作平台建立了扫描力显微镜/扫描近场光学显微镜(SFM/SNOM)实验系统.该系统可以用于扫描力显微镜和近场光学显微镜的原理性实验,有助于学生深入了解扫描探针显微镜的基本结构和工作原理.     

基于近场激发与增强的新型多层纳米薄膜结构在非线性光学器件上的应用与发展前景

传统光学引入了远场衍射的尺度极限。自从提出了近场光学技术以来 ,由于近场扫描光学显微镜 (NSOM)系统的复杂性而使得近扬的引入和利用变得困难。具有多层纳米薄膜结构的超分辨近场结构 (Super RENS)的提出改变了这种局面 ,并在诸如超高密度光学数据存储、近场光刻技术、纳米光子学晶体管等领域获得了重要的应用。围绕Su per RENS技术 ,通过综述它的基本原理、物理机制以及各项应用 ,指出了基于近场激发与增强原理的新型多层纳米薄膜结构在未来非线性光学器件上的应用与发展前景