近場光學

80年代以來, 隨着科學與技術向小尺度與低維空間的推進與掃描探針顯微技術的發展，在光學領域中出現了一個新型交叉學科——近場光學。近場光學對傳統的光學分辨極限產生了革命性的突破。新型的近場光學顯微鏡 ^[2]  ( NSOM——Near-field Scanning Optical Microscope，或稱 SNOM)的出現使人們的視野由入射光波長一半的尺度拓展到波長的幾十分之一，即納米尺度。在近場光學顯微鏡中，傳統光學儀器中的鏡頭被細小的光學探針所代替，其尖端的孔徑遠小於光的波長。

早在1928年, Synge提出：用入射光透過孔徑為10nm 小孔照射到相距為10nm的樣品後， 以10nm 的步長掃描並且收集微區的光信號時，就可能獲得超高分辨率。在這種直觀的描述中, Synge 已經清楚地預測了現代近場光學顯微鏡的主要特徵。

1970年，Ash 和 Nicholls 應用近場的概念， 在微波波段( K=3cm)實現了分辨率為 K/ 60的二維成像。

1983年，BM 蘇黎世研究中心成功地在金屬鍍膜的石英晶體尖端製備了納米尺度的光孔。利用隧道電流作為探針和樣品間距的反饋，獲得 K/ 20的超高光學分辨率的圖象。

使近場光學能引起更廣泛關注的推動來自於AT&T Bell 實驗室。1991年 Betzig 等人用光 學纖維製成高通光率的錐形光孔， 側面蒸鍍金屬薄膜，加上獨特的切變力探針-樣品間距調 控法，不但使透過的光子通量增加了幾個數量級，同時又提供了一種穩定、可靠的調控方法，引發了近場光學顯微鏡在生物、化學、磁光疇與高密度信息存儲器件、量子器件等不同領域中高分辨光學觀察中的一系列研究。

物體表面外的場分佈可以劃分為兩個區域：一個是距物體表面僅僅幾個K的區域，稱為近場區域；另一部分從近場區域外至無窮遠處稱為遠場區域。常規的觀察工具如顯微鏡，望遠鏡及各種光學鏡頭均處於遠場範圍。近場的結構則相當複雜。一方面它 包括可以向遠處傳播的分量， 又包括了僅僅限於物體表面一個波長以內的成分。人們在一個世紀以前就意識到近場的存在及其複雜性： 它的特徵是“依附”與物體表面， 其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( evanescent wave)。

所謂近場光學，是相對於遠場光學而言。傳統的光學理論，如幾何光學、物理光學等，通常只研究遠離光源或者遠離物體的光場分佈，一般統稱為遠場光學。遠場光學在原理上存在着一個遠場衍射極限，限制了利用遠場光學原理進行顯微和其它光學應用時的最小分辨尺寸和最小標記尺寸。而近場光學則研究距離光源或物體一個波長範圍內的光場分佈。在近場光學研究領域，遠場衍射極限被打破，分辨率極限在原理上不再受到任何限制，可以無限地小，從而基於近場光學原理可以提高顯微成像與其它光學應用時的光學分辨率。

基於近場光學技術的光學分辨率可以達到納米量級，突破了傳統光學的分辨率衍射極限，這將為科學研究的諸多領域，尤其是納米科技的發展提供有力的操作、測量方法和儀器系統。目前，基於隱失場探測的近場掃描光學顯微鏡 ^[3]  、近場光譜儀已經在物理、生物、化學、材料科學等領域中得到應用，並且應用範圍正在不斷地擴大；而基於近場光學的其它應用，如納米光刻和超高密度近場光存儲、納米光學元器件、納米尺度粒子的捕獲與操縱等等，也吸引了眾多科學工作者的注意。

近場光學探測是由一系列轉換完成的：

(1) 當用傳播波或隱失波照射高空間頻率的物體時， 將產生隱失波；

(2) 這樣產生的隱失場不服從瑞利判據。這些場在遠小於一個波長的尺度的局部範圍內有很大的變化；

(3) 根據互易原理， 這些不可探測的高頻局域場可以通過微小物體的轉換而將這個隱失場轉換為新的隱失場以及傳播場；

(4) 傳播場被適當的遠距離探頭所記錄。在這裏，由隱失場到傳播場的轉換是線性的，即探測到的場強與相應的隱失場中的Poynting 矢量成比例，因此探頭獲得的信息準確反映精細結構的局部變化， 當用一個微小物體 ^[4]  (如光纖探針的尖端)進行平面掃描時， 就可以得到二維圖像。

綜上所述，由傳播場到隱失場的轉換是通過衍射或繞射機制實現的，反之亦然。這樣的逆轉換相應於光子的隧道效應。

分析近場成像問題時，有必要將整個成像過程 ^[2]  分為兩個部分。

(1)入射光與樣品的相互作用；在樣品表面產生非輻射型隱失波(當然同時也產生傳播波)；

(2) 探針與樣品的相互作用及其與成像的關係：當探針進入近場範圍時，其針尖接收到含有樣品細節信息的隱失波，而 產生新的隱失波及傳播波。這個傳播波可以被探頭接收而成像。

近場光學顯微鏡 ^[5]  的主要目標是獲得與物體表面相距小於波長K的近場信息， 即隱失場的探測。雖然已經出現了許多不同類型的近場光學顯微儀器， 但它們有一些共同的結構。如同其他掃描探針顯微鏡( STM、AFM…)， 近場光學顯微鏡包括： ( 1)探針，(2) 信號採集及處理，(3)探針-樣品間距 z-的反饋控制，(4) x-y 掃描及(5) 圖像處理。這裏(4)(5)是已經成熟的掃描探針顯微技術。採用計算機控制電子線路，微區的掃描一般由壓電技術來實現，控制精度可以優於0. 01nm，豐富的圖形處理方法可以將數字圖像做平滑、濾波、襯度、亮度處理， 傅里葉變換濾波等。而(1), (2), (3)則與其他技術有區別。

(1) 探針：與 STM 中的金屬探針和 AFM 的懸臂探針不同的是, 這裏一般採用介電材料探針，可以發射或接受光子，尖端尺度在10～100nm，以能夠將收集到的光子傳送到探測器， 探針可用拉細的錐形光纖， 四方玻璃尖端，石英晶體等製成，探針的核心問題是小尺度和高的光通過率。

(2) 信息探測：由於光子信息均來自於納米尺度區域，信號強度一般很低( ～nw/ cm²), 因而需經光電倍增管、光二極管、光子計數或電荷耦合器件(CCD)將光信號轉換為電信號而放大。同時利用調製-鎖相放大技術抑制噪聲。以提高信噪比。

(3) 探針-樣品間距控制: 理想的調控方法應當是與光信號的探測完全獨立的機制，以使待測信號不受到干擾，避免引入複雜性。而實際方案中則難於避免這一問題，目前常用的方法有：i)隱失場調控：利用隱失場強度隨 z-增加而指數下降關係，將探針放入隱失場裏，控制範圍0～K/ ( 30～40)，這種方法中，探測光信號與調控信號有較強相互影響。ii) 切變力調控：當以本徵頻率振盪的探針靠近樣品表面時( < 50 nm)，由於振盪的針尖與樣品間作用力( Van derWaals，毛細力，表面張力等)，其振盪幅度及相位均會有較大變化，利用這個變化可以將探針控制在 z= 5～20 nm 範圍，比較成熟的方案有切變力調控方式，雙束干涉[，共振音叉和超聲共振方式等。

與 STM 中的電子隧道效應相比，光的傳播特性使近場光學顯微鏡有新的特點；首先光子很容易向遠處傳播，因此易與觀察物以外的物體或缺陷發生反射、衍射，這些相互作用將使所觀察場的真實情況改變。因此，要找到一種完全獨立的探針-樣品間距控制方法；其次，如前面所述。在近場區域， 傳播分量與非傳播分量是共存的， 因而實際強度與 z -的關係並不是理想的指數衰減形式。在許多文獻中描述的完美的指數衰減僅能出現在理想平面中, 而實際上這些實驗分佈已經被傳播場所調製。

近場光學顯微鏡已經從80年代初期的概念性示範、90年代初期各類新型儀器開發，到目前成熟應用的階段，在物理、化學、生物、材料科學中的應用範圍不斷擴大。下面列舉一些最引人注目的應用領域。

新的掃描探針顯微鏡發展的初期總是要獲得儘可能高的空間分辨率。早期的NSOM 利用石英晶體表面的金屬鍍層上的微孔作為探針， 獲得波長的幾十分之一的水平分辨率。當採用亞波長孔徑的光纖作為探針和切變力樣品-探針間距控制法後，已有分辨率為12 nm 的報道。然而，由於製備孔徑小於30 nm 的光纖探針存在着很大的難度，以及這種尺度光通量極弱，使人們甚至認為這種方案的分辨率極限為30 nm。在反射模式下，由於光信號在到達探測系統前已經經歷了多重反射，使分辨率進一步降低。然而由於這種可靠性高的方案可以滿足相當多應用的要求，已經成為 NSOM 的常規方法。其他特殊的無孔方式，如四面體探頭法， 局部電磁場擾動法可以獲得更高、甚至接近原子分辨本領。

利用低温近場光譜儀可以探測並且區分尺度為幾十納米的量子線的光發射，以及單個或多量子阱的發射譜。在研究GaAs/ GaAlAs 量子阱的激發譜時，觀察到遠場方式所得不到的尖鋭發射線條，表面樣品發光的不均勻性；綜合運用磁場、温度與給定激發波長的成像技術，可以準確地瞭解不同激發線的空間分佈與界面的完整性。最近有人在磁性半導體異質結構( 含有磁性離子 M²⁺ 的 ZnSe/ ZnCaSe 量子阱)中，研究了激子的自旋行為，對載流子的擴散和激子輸運行為作出系統研究。近場光譜在研究量子點、納米晶體、表面缺陷與位錯、納米量子球及多孔硅等方面將發揮其獨特的作用。

提高信息存儲密度 ^[6]  是科研與工業界極為關注的重大問題。目前的光學及磁光讀寫方式均受到衍射極限的限制， 並且使用較短的激光波長對存儲密度提高不大。而近場光學的出現提供了一種新的原理，大大提高存儲密度。較早的示範性研究表明，利用近場磁光偏轉方法在 Pt/Co 多層磁光膜的記錄密度可高達45 Gbits/ inch²。近年來近場表面等離子增強散射、近場二向色法色法及固態浸沒鏡聚焦法等都有較大發展。近場光刻、相變材料及光致變色薄膜等研究為近場技術在高密度存儲上的應用提供新的機會。然而， 由於近場光學存儲在速度與可靠性上與商業應用尚有距離，許多相關的機制仍需較大發展。

近場光學顯微鏡能利用光學觀察的無損、原位探測的特點，對生物樣品進行高分辨研究，可以在分子水平或者更深的層次研究如細胞的有絲分裂、染色體的分辨與局域熒光， 原位DNA、RNA 的測序，基因識別， 單個膜孔通道、膜受體成像等。在進一步提高動態性能後，可能觀察活細胞中分子的動態代謝等動力學過程。

近場光學研究的進展對傳統的經典光學提出新的問題。雖然經過長時間驗證，經典光學在數學描述中無懈可擊。然而利用經典的遠場光學方法甚至不能解決近場中的很簡單的現象。現代近場光學顯微鏡的快速發展提供了這類問題的實驗結果，同時也為近場區域的干涉、衍射、偏振及成像原理提出許多新的理論問題。除了基礎研究和基本物理理論現象的認識外，NSOM 最有應用前景 ^[7]  當屬在微電子學， 光電子學，高密度信息存儲與生命科學中。