掃描近場光學顯微鏡匯報人：主要內容1.概述2.SNOM的發展歷史3.基本原理及相關技術4.應用前景

掃描近場光學顯微鏡（SNOM——ScanningNear-fieldOpticalMicroscopy）是依據近場探測原理發展起來的一種光學掃描探針顯微（SPM）技術。其分辯率突破光學衍射極限，達到10~200nm。在技術應用上，SNOM為單分子探測，生物結構、納米微結構的研究，半導體缺陷分析及量子結構研究等多個領域提供了一種有力的工具；在物理上，它將量子光學、波導光學、介關物理等多個學科聯系在一起，并由此開辟了一個新的光學研究領域——近場光學（Near-fieldOptics）。概述SNOM的發展歷史

及國內外的研究現狀1928年，E.H.Synge提出“近場探測原理”1972年，E.A.Ash等人在微波波段(λ=3cm)實現了λ/60(0.5mm)的分辨率1981年，IBM的G.Binnig發明了STM1982年，D.W.Plhl實現了SNOM分辨率為25nm90年代后，Bell實驗室的E.Betzig解決了鍍Al膜的光纖超微探針制備和針尖－樣品間距控制這兩個難題目前，在我國較有影響的國外產品有：美國ThermoMicroscopes，Inc公司的SNOM，德國OMICRONVakuunphysikGmbH公司的Twin-SNOM等。國內已有清華大學、北京大學、大連理工大學以及上海光學儀器研究所等多家研究小組在開發或研制掃描近場光學顯微鏡，研制光纖探針的小組更多。SNOM的原理常規的光學方法：探測元件（如鏡頭）則位于遠遠大于波長的遠場中，由于衍射效應，只能獲得由傳播場攜帶的大于波長一半的結構信息。近場光學顯微鏡：光學探針尖端的孔徑遠小于光的波長。當把這樣的亞波長光孔放置在近場區域時，可以探測到豐富的亞微米光學信息。隱失波及隱失場在近場中，一方面它包括可以向遠處傳播的分量，又包括了僅僅限于物體表面一個波長以內的成分。它的特征是“依附”于物體表面，強度隨離開表面的距離增加而迅速衰減，不能在自由空間存在，因而被稱為隱失波。它的特點是沿x-y方向傳播，而沿z方向迅速消失，并且以光的頻率振蕩。由隱失波構成的場稱為隱失場或者非傳播場。當一個亞波長的微小光源，在一物體的近場范圍內照射物體時，照射光斑的面積只和孔徑大小有關，而與波長無關。這樣，在反射光或透射光中，將攜帶物體亞波長尺寸結構的信息，通過采集樣品各“點”的信號光，即可得到分辨率小于半波長的樣品的近場圖象。有關SNOM的幾個技術問題光學“探針”的制作

Tip-Sample間距的控制不同的SNOM模式SNOM系統總體結構光學探針A樣品臺B探針掃描控制C（包括T－S間距控制）光輸入系統D信號采集處理系統E光學探針光學探針是SNOM中的一個關鍵元件，它的質量決定了SNOM系統圖象的分辨率和信噪比（這里所謂的“探針”指具有亞波長尺度的微小光源或信號接收器）。一般講，用于SNOM中的探針要求“小而亮”。探針尖端孔徑越小，SNOM的分辨率越高；但另一方面，信號光又必須足夠強，才能有足夠的信噪比。

錐形光纖微探針

其中，為了防止光信號泄漏，在連接部針尖外圍鍍有幾十納米層的金屬膜。將激光傳導到10－100nm微區，在樣品激發的信號被光學鏡頭接受、記錄。當探針做二維掃描時同時得到樣品形貌和近場光分布。探針和樣品間距保持在10－50納米的近場范圍。

Tip－Sample間距的控制主要有三種方法：等高模式（Constantaltitudemode）等光強模式（Constantintensitymode）剪切力控制模式（Shear-forcecontrolmode)等高模式針尖在一個固定水平高度上掃描，光信號強度的起伏反映了表面形貌的起伏，這種模式適用于表面極為平整的樣品，目前較少采用。等光強模式針尖按照設定的光強值，隨表面光強的起伏而上下起伏，反饋信號反映了表面光強的變化。由于在近場范圍中，光強與間距的關系并不是單調變化的，因此反饋信號的起伏并不嚴格反映表面的形貌。剪切力模式由于針尖與樣品之間存在一些長程力（如粘滯力等），并存在一個共振頻率f(d),當探針在按等光強模式掃描的同時，沿一水平方向以這一共振頻率作微小振蕩，針尖在這一方向上的振動將受到阻礙而容易被觀測到。這樣，針尖可以按照固定的T－S間距上下起伏。不同的SNOM模式第一類為孔徑型掃描近場光學顯微鏡(ApetureSNOM)，采用亞波長的小孔（或針尖）作微光源或微探測器，而且激發光與被探測的信號光的方向是平行的。第二類是光子掃描隧道顯微鏡（PSTOM又稱STOM）,激發光斜射入樣品，通過全內反射在樣品表面形成消逝場，置于消逝場的光探針實際是一個散射中心，它將非輻射場通過轉換成傳輸波而被探測。

接收模式照射模式光子隧道模式反射模式應用前景1.單分子觀測2.細胞和細胞器精細結構3.高密度信息存儲單分子觀測利用SNOM，E.betzig小組已在室溫下成功地觀察到固化在PMMA有機膜中的啞鈴形碳花青染料分子及其取向。細胞和細胞器的精細結構94年，美國太平洋西北實驗室的謝曉亮等人利用SNOM技術，發現葉綠素系統中的一些獨立蛋白合成物在thylakoid膜上分布情況。Thylakoid膜是植物發生光合作用的地方，蛋白合成物嵌在膜中，吸收陽光并通過一系列的反應轉化為植物自己的能量。它們在膜上的分布情況有助于了解不同合成物之間能量的處理機制，從而在分子水平上研究光合作用中包含的化學反應，包括電子轉移、質子轉移、能量轉移以及蛋白質構型變化。高密度信息存儲

目前使用的光盤采用的是遠場技術，讀寫斑的尺寸被衍射極限控制在1mm左右，存儲密度約為50MB/cm2。若采用近場技術使讀寫斑的尺寸減小到20nm，則密度可提高到125GB/cm2。按此密度計算，一張30cm光盤的總容量可達1014bit，相當于美國國會100年檔案信息量的總和，接近人腦的總存儲能力(1015bit)。參考文獻鄧江東，掃描近場光學顯微鏡原理及其應用，激光與電子學進展，1997年第2期朱星，近場光學顯微鏡，現代科學儀