Принцип ближнепольной оптической микроскопии
Traditional optical microscopes consist of optical lenses that can magnify objects several thousand times to observe details. Due to the diffraction effect of light waves, it is impossible to increase the magnification infinitely, as the diffraction limit of light waves will be encountered. The resolution of traditional optical microscopes cannot exceed half of the wavelength of light. For example, using green light with a wavelength of λ=400nm as the light source can only distinguish two objects with a distance of 200nm. In practical applications, when λ>400nm, the resolution is lower. This is because general optical observations are made at a distance (>>λ) от объекта.
Основываясь на принципах обнаружения и визуализации безызлучательных полей, оптические микроскопы ближнего поля могут преодолеть дифракционный предел обычных оптических микроскопов и проводить наномасштабные оптические изображения и спектральные исследования со сверхвысоким оптическим разрешением.
Оптический микроскоп ближнего поля состоит из зонда, устройства передачи сигнала, управления сканированием, обработки сигнала и системы обратной связи. Принцип генерации и обнаружения ближнего поля: падающий свет падает на объект со множеством мелких и тонких структур на поверхности. Эти тонкие структуры под действием падающего светового поля создают отраженные волны, включая затухающие волны, ограниченные поверхностью объекта, и волны, распространяющиеся на расстояние. Затухающие волны исходят от тонких структур внутри объектов (объектов размером меньше длины волны). Распространяющиеся волны исходят от шероховатых структур объекта (объектов размером больше длины волны), которые не содержат никакой информации о тонкой структуре объекта. Если очень маленький рассеивающий центр используется в качестве нанодетектора (например, зонда) и расположен достаточно близко к поверхности объекта, затухающая волна возбуждается, заставляя ее снова излучать свет. Свет, генерируемый этим возбуждением, также включает в себя необнаружимые затухающие волны и волны распространения, которые могут распространяться на дальнее расстояние, завершая процесс обнаружения в ближнем поле. Переход между исчезающим полем и полем распространения линейный, и поле распространения точно отражает изменения скрытого поля. Если для сканирования поверхности объекта использовать рассеивающий центр, можно получить двухмерное изображение. В соответствии с принципом взаимной инверсии взаимодействие источника облучающего света и нанодетектора меняется местами, и образец облучается источником наносвета (затухающее поле). Из-за эффекта рассеяния тонкой структуры объекта по сравнению с полем излучения затухающая волна преобразуется в распространяющуюся волну, которую можно обнаружить на расстоянии, и результаты полностью идентичны.
Ближнепольная оптическая микроскопия — это метод цифровой визуализации, который включает в себя сканирование и запись зондом точки за точкой на поверхности образца. На рисунке 1 представлена принципиальная схема визуализации оптического микроскопа ближнего поля. Метод грубой аппроксимации xyz на рисунке позволяет регулировать расстояние между зондом и образцом с точностью до десятков нанометров; Сканирование xy и управление z позволяют управлять сканированием зонда и обратной связью по направлению z с точностью до 1 нм. Падающий лазер на рисунке вводится в зонд через оптоволокно и может изменять состояние поляризации падающего света в соответствии с требованиями. Когда падающий лазер облучает образец, детектор может отдельно собирать сигнал передачи и сигнал отражения, модулированный образцом, которые усиливаются фотоумножителем. Затем они напрямую преобразуются из аналогового формата в цифровой и собираются компьютером или вводятся в спектрометр через спектроскопическую систему для получения спектральной информации. Управление системой, сбор данных, отображение изображений и обработка данных выполняются компьютерами. Из описанного выше процесса визуализации видно, что оптическая микроскопия ближнего поля может одновременно собирать три типа информации, а именно морфологию поверхности образца, оптические сигналы ближнего поля и спектральные сигналы.
