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     

近场光学显微技术

本文在介绍近场光学显微镜原理的基础上，对近场光学显微技术进行了一定深度的探讨，并着重研究了纳米级探针的制作和纳米级样品与探针间距的控制这两个近场光学显微技术中的关键问题，说明了近场光学显微探针的工作方式，阐述了近场光学成像的衬度类型，介绍了近场光学显微技术在多个领域的应用。在参考大量国内外最新研究成果的基础上，提出了一些个人的见解。     

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。     

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。     

浅谈近场光学

简要地介绍了近场光学的历史及现状，讨论了近场光学显微镜的构造、工作原理、工作方式及实际应用，并支近场光学的一些理论问题作了简明扼要的介绍，指出理论和实验上需要进一步发展的地方以及可能的途径。     

非探针近场光学显微镜的成像实现

介绍一种非探针近场光学显微镜，并对它的图像实现过程及处理方法进行了讨论。该装置以阿达玛变换成像理论为基础，用纳米多孔编码板代替光纤探针获得了较高的光学信噪比。成像研究表明，该装置可对近场衰逝波分量进行有效探测并能实现超衍射极限成像，为近场光学探测研究提供了一种新的思路。     

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     

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。     

微波模拟近场光学显微镜实验

介绍了近场光学显微镜的基本原理，并利用微波代替可见光模拟了近场光学显微镜实验．     

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     

近场拉曼光谱在纳米结构表征中的应用

近场拉曼光谱是近场光学领域中的新型技术,因其可对纳米结构进行光谱表征而备受科学研究者的关注。 文章从光学的角度简述了将近场光学与拉曼光谱相结合成为近场拉曼光谱的原理,介绍了近场拉曼光谱技术的优势,详细阐述了近场拉曼光谱在单壁碳纳米管、生物样品、热电晶体、染料分子等纳米结构表征中的应用,展现了近场拉曼光谱技术广阔的应用前景。     

金属衬底上石墨烯的红外近场光学

对石墨烯/铜体系开展了系统性的近场光学实验研究,成功观测到了区别于铜衬底的、来自石墨烯的近场光学响应信号,发现在表面台阶几何参数相同的铜衬底上的不同石墨烯样品表现出了截然不同的近场光学响应.     

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。     

近场拉曼光谱技术的发展

将近场光学技术与拉曼光谱相结合,发展出近场拉曼光谱术。综述了近场拉曼光谱探测技术的发展现状,讨论了近场拉曼光谱术的优点和纳米局域光谱分析能力。对两种常用的探测方法(常规近场光谱探测方法和近场增强拉曼光谱探测方法)进行了比较,并介绍了近场拉曼光谱技术在生物、化学、纳米材料等领域的一些应用。     

飞秒时间分辨近场光学系统实现及其应用

结合飞秒光脉冲和近场光学显微镜，成功实现了飞秒时间分辨近场光学系统.系统通过高频声光调制和差频锁相探测，极大提高了信噪比并消除了抽运、探测光本底信号，从而在收集模式下测得了飞秒时间分辨的透射光微弱信号变化.同时获得了80nm的空间分辨和小于200fs的时间分辨测量.利用该实验系统，研究了金纳米结构的热电子弛豫动力学过程，观察到不同位置间热电子弛豫动力学的差异. 关键词： 飞秒近场 扫描近场光学显微镜 飞秒光脉冲 金纳米颗粒     

超分辨近场结构的研究进展及其应用

超分辨近场结构(super-resolution near-field structure,super-RENS)由于突破了传统远场光学衍射极限的限制,在纳米光储存、微纳米加工、基于局域表面等离子体增强的生物传感器方面展现出良好的应用前景,因此吸引了众多研究者的目光.文章简要介绍了超分辨近场结构的发展历程、相应的工作机理、最新研究动态及其在超高密度光存储、近场光刻中的应用状况,并对未来的工作重点做出展望.     

纳米光学和生物单分子探测

纳米光学技术展示了纳米级探测本领，同时生物单分子探测所需要分辨尺度也是纳米数量级的，因此在生物单分子探测过程中，纳米光学发挥了巨大的作用．文章介绍了与生物单分子探测技术相关的纳米光学技术，包括量子近场光学探针技术、近场光学成像技术(包括扫描近场光学显微术及全内反射荧光显微术)和激光光钳测控技术及它们在生物单分子探测上的进展，从而在染色、成像、测控三个方面展示了纳米光学技术在生物方面的应用，并对其未来的发展方向进行了展望．     

阶梯型纳米孔径的近场光学局域增强特性研究

提出一种高分辨力与高通光效率兼备的阶梯型纳米孔径设计方法 ,孔径的尺寸从膜层的入射表面向出射表面呈阶梯型逐渐减小 ,直到在膜层的出射表面形成一个亚波长的小孔。采用三维时域有限差分 (FDTD)方法对方形阶梯型纳米孔径及三角形阶梯型纳米孔径进行了数值模拟计算。结果表明 ,由于近场光学很强的局域场增强效应 ,其通光效率与输出光强极大值在具有相同近场光斑尺寸情况下 ,较普通的非阶梯型纳米孔径提高了两个数量级 ,甚至更高 ,有效地提高了输出光功率。采用四台阶三角形阶梯型纳米孔径 ,当光斑半峰全宽为 97nm× 74nm时 ,出射光强极大值达到 10 4 9.76 ,较入射光增强了 10 0 0倍 ,而通光效率大于 1,达到 1.6 7。这种阶梯型纳米孔径可以直接作为纳米孔径激光器的出射孔径提高其输出光功率 ,也可以作为独立的光学屏对入射光进行整形得到具有高输出功率的亚波长尺度光源 ,在纳米尺度光学成像、光谱探测、数据存储、光刻、光学操作等近场光学应用领域具有潜在的应用前景。     

光子晶体的光学特性与近场光学测量表征

光子晶体具有独特而优异的光学特性及广泛的应用前景。介绍了光子晶体的概念、应用、发展,着重讨论了光子晶体的光子禁带、光子局域以及其它光学特性。从近场光学的原理和实验技术出发阐述了近场光学测量表征光子晶体的方法,对于光子晶体的研究具有重要的意义。     

扫描近场光学显微镜的光耦合偶极子模型

为了研究扫描近场光学显微镜中探针和粗糙样品表面的耦合相互作用,提出了一种光耦合偶极子模型.在该模型中,探针和样品突起都由光极化偶极子表示,在准静态电磁场近似的情况下样品表面的诱导极化效应由影像偶极子表示,应用偶极子辐射理论可以得到系统的自洽场方程.此模型提供了一种直观分析扫描近场光学显微镜中探针和样品相互作用机理的方法.在此基础上,进一步讨论了金属样品的近场成像特点和其特有的局域光学共振现象.数值结果表明：不同于一般的介质样品,金属样品的近场图像与入射光频率直接相关,改变入射光的频率,获得的样品近场图像的形状和对比度都会发生变化.特别是当入射光频率处于样品极化共振范围内时,金属纳米粒子的极化率会出现光极化共振,这样就可以获得样品粒子的最大有效尺寸,为提高系统的分辨率提供了一条重要途径.