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近場光學(xué)儀器的發(fā)展及應(yīng)用
目 錄
摘要 1
引言 1
1.近場光學(xué) 1
1.1 光學(xué)顯微鏡的分辨率與衍射極限 1
1.2 近場與遠(yuǎn)場 2
1.3 非輻射場與近場光學(xué)的成像原理 3
1.4 光學(xué)隧道效應(yīng) 4
1.5 物體附近微小區(qū)域中的隱失場 近場探測原理 4
2 近場學(xué)顯微鏡 5
2.1 SNOM的基本思想 5
2.2 有關(guān)SNOM的幾個(gè)技術(shù)問題 6
2.3 近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）的應(yīng)用 6
2.3.1 高分辨率光學(xué)成像 6
2.3.2 單個(gè)熒光分子的標(biāo)記 7
2.3.3 對細(xì)胞精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀察 7
3 近場光學(xué)儲(chǔ)存 7
3.1 近場光學(xué)儲(chǔ)存的基本思想 7
3.2 近場光學(xué)儲(chǔ)存的幾個(gè)技術(shù)問題 8
3.2.1 PSM方案 8
3.2.2 Super——RENS方案 8
結(jié)論 9
參考文獻(xiàn) 10
致謝 11
近場光學(xué)儀器的發(fā)展及應(yīng)用
摘要：近場光學(xué)儀器是基于近場光學(xué)原理的以近場光學(xué)顯微鏡為主的分析儀器。所謂近場光學(xué)，是研究距離物體表面1個(gè)波長以內(nèi)的光學(xué)現(xiàn)象的新型交叉學(xué)科，基于非輻射場的探測與成像原理。與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡不同，它突破了傳統(tǒng)的衍射極限，可以在超高光學(xué)分辨率下，進(jìn)行納米尺度光學(xué)成像與納米尺度光譜研究。
本文討論了近場光學(xué)的基本原理、非輻射場的探測與高分辨率的關(guān)系；近場光學(xué)中光學(xué)限閥和隱失場的重要性；以及怎樣獲取近場信息。論文對近場光學(xué)中的近場光學(xué)顯微鏡的主要類型及相關(guān)的儀器發(fā)展、分辨率、襯度原理做了詳細(xì)綜述，并簡要介紹了近場光學(xué)顯微鏡在超高分辨率光學(xué)成像、近場局域光譜、高密度數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、生命科學(xué)、單分子光譜和量子器件發(fā)光機(jī)制等領(lǐng)域的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：近場光學(xué)；顯微鏡；隱失場；超高分辨率
Near—field optical instruments development and application
Abstract： Near—field optical instruments is a analytical instruments which is based on the principles of the near—field optics, mostly are near—field optical microscopes. The so-called near-optical, is a new cross - disciplines to study the optical phenomenon within a wavelength of distance to the surface of the objects. It is based on the detection of the non-radiation field and imaging principles. It is different from the traditional optical microscopes, and it broke the traditional diffraction limit, it can do nano-scale optical imaging and nano-scale spectral studies in a high optical resolution.
In this paper, we have discussed the basic principles of field optics, the relation of non-radiation-detection and high-resolution; the essentiality of optical limited and concealing stolen field in near—field optics; how to obtain near—field information; This paper make a detailed overview of the major types of the optical microscopes , the development of correlative equipment, the resolution, the principles of dehunidification, and it outline the applications of near—field optical microscope in the areas such as high-resolution optical imaging, near—field spectrum of part area, high density data storage, and life sciences, single molecular spectrum, quantum apparatus luminous mechanism.
Keywords：near—field optics；microscopes；concealing stolen field；high-resolution
引言
光學(xué)是1門古老的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。人類對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體？”之類問題。約在公元前400多年(先秦時(shí)代)，中國的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)知識，它有8條關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。
自《墨經(jīng)》開始，公元11世紀(jì)阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀(jì)初，詹森和李普希同時(shí)獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡；1直到17世紀(jì)上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。
1665年，牛頓進(jìn)行太陽光的實(shí)驗(yàn)，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成1個(gè)顏色按1定順序排列的光分布——光譜。它使人們第1次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。[1]
近場光學(xué)是80年代在小尺度與低維空間的推進(jìn)與掃描探針顯微技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。近場光學(xué)的發(fā)展突破了傳統(tǒng)的光學(xué)分辨極限。給我們探索微觀世界提供了先進(jìn)的觀察條件。1984年，近場光學(xué)顯微鏡的原型“光學(xué)聽診器”的發(fā)明，標(biāo)志著人類第1次突破了光學(xué)顯微鏡的衍射極限分辨率。自1992年用單模光纖做成光學(xué)探針以及利用切變力進(jìn)行探針針尖至樣品表面距離測控后，近場光學(xué)顯微鏡開始被作為1種用于觀察和研究亞波長物體的外觀形貌和內(nèi)在性質(zhì)的新型光學(xué)儀器。在此后的短短幾年內(nèi)，在納米和介觀尺度上，它被廣泛應(yīng)用到物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和信息產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。
1.近場光學(xué)
1.1 光學(xué)顯微鏡的分辨率與衍射極限
傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡由光學(xué)鏡頭組成。由于可見光的成像直接被人眼睛所接收，同時(shí)光學(xué)顯微鏡易于操作，造價(jià)較低。因此，成為實(shí)驗(yàn)觀察與檢測的常規(guī)工具，人們可以方便地將被觀察物體放大至上千倍以獲得細(xì)節(jié)信息。同時(shí)還可以利用光的偏振.吸收、反射和光譜特性等進(jìn)行綜合性研究。
然而，光學(xué)成像的放大倍數(shù)是不能任意增大的。如果要將光學(xué)放大倍數(shù)提高到上千倍以上時(shí)將受到1個(gè)嚴(yán)重的障礙——光學(xué)衍射極限。由于光波的衍射效應(yīng)傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的分辨率不能超過光波長的1半。這個(gè)規(guī)律是1個(gè)多世紀(jì)前由德國科學(xué)家阿貝(Frnst Abbe)根據(jù)衍射理論推導(dǎo)出來的。然后，瑞利(Rayleigh)歸納為1個(gè)常用公式；[2]瑞利判據(jù)：
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