近场光学显微镜为什么能能产生超衍射极限成像

传统的光学显微镜由光学镜头组成，可以将物体放大至几千倍来观察细节，由于光波的衍射效应，无限提高放大倍数是不可能的，因为会遇到光波衍射极限这一障碍，传统的光学显微镜的分辨率不能超过光波长的一半。比如，以波长λ=400nm的绿光作为光源，仅能分辨相距为200nm的两个物体。实际应用中λ>400nm，分辨率要更低些。这是因为一般的光学观察都在距离物体很远的位置（>>λ）。近场光学显微镜根据非辐射场的探测和成像原理，能够突破普通光学显微镜所受到的衍射极限，可以在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。近场光学显微镜[2] 由探针、信号传输器件、扫描控制、信号处理和信号反馈等系统组成。近场产生和探测原理：入射光照射到表面上有许多微小细微结构的物体上，这些细微结构在入射光场的作用下，产生的反射波包含限制于物体表面的倏逝波和传向远处的传播波。倏逝波来自于物体中的细微结构（小于波长的物体）。而传播波则来自于物体中粗糙的结构（大于波长的物体）后者不含任何物体细微结构的信息。如果将一个非常小的散射中心作为纳米探测器（如探针)，放在离物体表面足够近的地方，将倏逝波激发，使它再次发光。这种被激发而产生的光同样包含不可探测的倏逝波和可传播到远处探测的传播波，这个过程便完成了近场的探测。倏逝场与传播场之间的转换是线性的，传播场准确地反映出隐失场的变化。如果用一个散射中心在物体表面进行扫描，就可以得到一幅二维图象。根据互逆原理，将照射光源和纳米探测器的作用相互调换一下，采用纳米光源（倏逝场）照射样品，因物体细微结构对照射场的散射作用，倏逝波被转换为可在远处探测的传播波，其结果完全相同。近场光学显微是由探针在样品表面逐点扫描和逐点记录后数字成像的。图1是一种近场光学显微镜的成像原理图。图中x-y-z粗逼近方式可以用几十纳米的精度调节探针至样品的间距；而图1 近场光学显微镜结构x-y扫描及z控制可用1nm精度控制探针扫描及z方向的反馈随动。图中的入射激光，通过光纤引入探针，并可根据要求改变入射光的偏振态。当入射激光照射样品时，探测器可以分别采集被样品调制的透射号和反射信号，并由光电倍增管放大，然后直接由模-数转换后经计算机采集或通过分光系统进入光谱仪，以得到光谱信息。系统控制、数据采集、图像显示和数据处理均由计算机完成。由以上成像过程可以看出，近场光学显微镜可同时采集3类信息，即样品的表面形貌、近场光学信号及光谱信号。

如果光学显微镜放大倍数太大，图像将由于重叠而变得模糊，因为衍射的存在决定了光学仪器有它的分辨率。从波动光学来看，光源所发出的光波经过园孔后，由于衍射现象，并不能聚焦成为几何像，而是产生一衍射图样，图样中央最亮部分有一定的宽度或直径，这宽度又与孔成反比。例如：望远镜或显微镜中的物镜，相当于一个园孔，一个点光源所发出的光波经过物镜后所成的像，并不是几何光学中的一个点，而是一个具有一定大小的园斑，围有一些明暗相间的圆形衍射图样。两个相距极近的点光源所成的像，将是两个这样的园斑。如果两个园斑距离很近，大部分相互重叠，这两个点光源就不能分辨。