近場光學顯微鏡原理

傳統的光學顯微鏡由光學鏡頭組成，可以將物體放大至幾千倍來觀察細節，由于光波的衍射效應，無限提高放大倍數是不可能的，因為會遇到光波衍射極限這一障礙，傳統的光學顯微鏡的分辨率不能超過光波長的一半。比如，以波長λ=400nm的綠光作為光源，僅能分辨相距為200nm的兩個物體。實際應用中λ>400nm，分辨率要更低些。這是因為一般的光學觀察都在距離物體很遠的位置（>>λ）。
近場光學顯微鏡根據非輻射場的探測和成像原理，能夠突破普通光學顯微鏡所受到的衍射極限，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。
近場光學顯微鏡 由探針、信號傳輸器件、掃描控制、信號處理和信號反饋等系統組成。近場產生和探測原理：入射光照射到表面上有許多微小細微結構的物體上，這些細微結構在入射光場的作用下，產生的反射波包含限制于物體表面的倏逝波和傳向遠處的傳播波。倏逝波來自于物體中的細微結構（小于波長的物體）。而傳播波則來自于物體中粗糙的結構（大于波長的物體）后者不含任何物體細微結構的信息。如果將一個非常小的散射中心作為納米探測器（如探針)，放在離物體表面足夠近的地方，將倏逝波激發，使它再次發光。這種被激發而產生的光同樣包含不可探測的倏逝波和可傳播到遠處探測的傳播波，這個過程便完成了近場的探測。倏逝場與傳播場之間的轉換是線性的，傳播場準確地反映出隱失場的變化。如果用一個散射中心在物體表面進行掃描，就可以得到一幅二維圖象。根據互逆原理，將照射光源和納米探測器的作用相互調換一下，采用納米光源（倏逝場）照射樣品，因物體細微結構對照射場的散射作用，倏逝波被轉換為可在遠處探測的傳播波，其結果完全相同。
近場光學顯微是由探針在樣品表面逐點掃描和逐點記錄后數字成像的。圖1是一種近場光學顯微鏡的成像原理圖。圖中x-y-z粗逼近方式可以用幾十納米的精度調節探針至樣品的間距；而x-y掃描及z控制可用1nm精度控制探針掃描及z方向的反饋隨動。圖中的入射激光，通過光纖引入探針，并可根據要求改變入射光的偏振態。當入射激光照射樣品時，探測器可以分別采集被樣品調制的透射號和反射信號，并由光電倍增管放大，然后直接由模-數轉換后經計算機采集或通過分光系統進入光譜儀，以得到光譜信息。系統控制、數據采集、圖像顯示和數據處理均由計算機完成。由以上成像過程可以看出，近場光學顯微鏡可同時采集3類信息，即樣品的表面形貌、近場光學信號及光譜信號。