近場光學儀器的發(fā)展及應用

目   錄
摘要 1
引言 1
1.近場光學 1
1.1 光學顯微鏡的分辨率與衍射極限 1
1.2 近場與遠場 2
1.3 非輻射場與近場光學的成像原理 3
1.4 光學隧道效應 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 近場學顯微鏡 5
2.1 SNOM的基本思想 5
2.2 有關(guān)SNOM的幾個技術(shù)問題 6
2.3 近場光學顯微鏡（SNOM）的應用 6
2.3.1 高分辨率光學成像 6
2.3.2 單個熒光分子的標記 7
2.3.3 對細胞精細結(jié)構(gòu)的觀察 7
3 近場光學儲存 7
3.1 近場光學儲存的基本思想 7
3.2 近場光學儲存的幾個技術(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 10
致謝 11

近場光學儀器的發(fā)展及應用
 
摘要：近場光學儀器是基于近場光學原理的以近場光學顯微鏡為主的分析儀器。所謂近場光學，是研究距離物體表面1個波長以內(nèi)的光學現(xiàn)象的新型交叉學科，基于非輻射場的探測與成像原理。與傳統(tǒng)光學顯微鏡不同，它突破了傳統(tǒng)的衍射極限，可以在超高光學分辨率下，進行納米尺度光學成像與納米尺度光譜研究。 
本文討論了近場光學的基本原理、非輻射場的探測與高分辨率的關(guān)系；近場光學中光學限閥和隱失場的重要性；以及怎樣獲取近場信息。論文對近場光學中的近場光學顯微鏡的主要類型及相關(guān)的儀器發(fā)展、分辨率、襯度原理做了詳細綜述，并簡要介紹了近場光學顯微鏡在超高分辨率光學成像、近場局域光譜、高密度數(shù)據(jù)儲存、生命科學、單分子光譜和量子器件發(fā)光機制等領(lǐng)域的應用。
    關(guān)鍵詞：近場光學；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   
光學是1門古老的學科，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(先秦時代)，中國的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學知識，它有8條關(guān)于光學的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴謹?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世紀阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀初，詹森和李普希同時獨立地發(fā)明顯微鏡；1直到17世紀上半葉，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，牛頓進行太陽光的實驗，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成1個顏色按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]
近場光學是80年代在小尺度與低維空間的推進與掃描探針顯微技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。近場光學的發(fā)展突破了傳統(tǒng)的光學分辨極限。給我們探索微觀世界提供了先進的觀察條件。1984年，近場光學顯微鏡的原型“光學聽診器”的發(fā)明，標志著人類第1次突破了光學顯微鏡的衍射極限分辨率。自1992年用單模光纖做成光學探針以及利用切變力進行探針針尖至樣品表面距離測控后，近場光學顯微鏡開始被作為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，它被廣泛應用到物理、化學、生物、醫(yī)學和信息產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。
1.近場光學
1.1 光學顯微鏡的分辨率與衍射極限
    傳統(tǒng)的光學顯微鏡由光學鏡頭組成。由于可見光的成像直接被人眼睛所接收，同時光學顯微鏡易于操作，造價較低。因此，成為實驗觀察與檢測的常規(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節(jié)信息。同時還可以利用光的偏振.吸收、反射和光譜特性等進行綜合性研究。
    然而，光學成像的放大倍數(shù)是不能任意增大的。如果要將光學放大倍數(shù)提高到上千倍以上時將受到1個嚴重的障礙——光學衍射極限。由于光波的衍射效應傳統(tǒng)光學顯微鏡的分辨率不能超過光波長的1半。這個規(guī)律是1個多世紀前由德國科學家阿貝(Frnst Abbe)根據(jù)衍射理論推導出來的。然后，瑞利(Rayleigh)歸納為1個常用公式；[2]瑞利判據(jù)：

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