近场光学理论和非探针近场光学显微镜关键技术研究

摘要

扫描近场光学显微镜是一种突破经典分辨极限的新型光学仪器，它通过光探针探测样品表面隐失场信息，获得纳米尺度的超分辨率图像。自从发明以来，引起了人们极大兴趣，世界各地学者对近场光学理论和技术研究至今方兴未艾。在详细研究了近场光学显微镜工作原理，结合我们在阿达玛成像方面的长期积累，提出了一种非探针多通道近场光学显微成像方法。这种新型非探针近场光学显微成像系统实际上避开了探针定位的难题，为近场光学显微镜研究开辟了一条新思路。本文围绕近场光学理论和非探针近场光学显微成像技术展开研究，主要分理论研究和实验研究两个部分。第一部分是理论研究，包括两个方面：一是在不考虑相互作用情况下，应用宏观电磁场理论对近场光学显微镜进行研究；二是在考虑相互作用情况下，应用微观电磁场理论对近场光学显微镜进行研究。第二部分是实验研究，主要针对多通道非探针红外近场光学显微成像实验系统进行具体研究。主要研究内容及创新如下： 理论方面：在宏观电磁场理论基础上，建立了一种研究近场光学显微镜中样品近场光分布特性的理论模型，应用矢量衍射理论，得到了系统场方程。在小波动样品条件下，采用微扰法对场方程进行了求解，用该方法能方便地得到样品表面各阶近场光反射和透射模复振幅表达式。提供了一种计算样品表面近场分布的简便方法，使我们对样品近场分布特点有了更加明确的认识。在小孔衍射偶极子理论模型和光波导理论基础上，推导了有限厚导体屏上亚波长小孔近场光强分布公式，得到了小孔近场电磁场分布的严格解。计算结果不仅对深入了解小孔近场光分布机理非常有益，而且可直接应用于非探针型近场光学显微镜中基码板或其它近场光探针的设计。 在考虑探针和样品相互作用基础上，提出了一种模拟扫描近场光学显微镜工作原理的新理论模型。在该模型中，探针和样品突起都由光极化偶极子表示，在准静态电磁场近似情况下样品表面诱导极化效应由影像偶极子表示，应用偶极子辐射理论可以得到系统的自洽场方程。该方法与通过并矢传播子方法得出的结果完全相同，而且推导过程更加简单直观。此模型避免了由于并矢传播子法推导复杂性引起的不易于揭示探针和样品相互作用微观机理的缺点，提供了一种直观分析扫描近场光学显微镜中探针和样品相互作用机理的新方法。在此新型近场光学显微镜理论模型基础上，对近场光学显微镜中一些重要的光学效应进行了详细讨论，特别是近场显微镜中的偏振效应，共振效应以及金属样品近场光成像特征等。在讨论近场光学显微镜中的结构共振时，考虑了偶极子的实际大小，对Keller 、Girard 等人的点偶极子结构共振理论有所发展，使其对实验指导意义更加明确。所有这些讨论使我们对近场光学的特性有了更清楚的认识，另一方面也为随后的实验研究提供了必要的理论指导。 实验方面：基于近场光学理论和阿达玛变换成像理论，对常规近场光学显微镜结构进行了改进，完成了基于阿达玛变换原理的非探针红外近场光学显微成像系统的实验设计。基于这种新近场成像方法，设计并研制出了以10.6μm 为特征波长的非探针多通道红外近场光学显微成像实验系统。论述了编码矩阵构造方法，给出了循环S-矩阵编码设计方法。在选取合适红外材料基础上，完成了对编码板基片精密抛光和金属镀膜。应用光刻技术设计并研制了码孔尺寸为4μm 的63 阶（9*7 ）循环S-矩阵编码板，成功地用于多通道非探针红外近场光学显微成像实验系统。根据系统设计要求，研制出了一台用于驱动编码板的精密工作台，该工作台采用步进电机粗驱动与压电陶瓷微驱动相结合的方法，实现了在一定精度要求下的较大量程，满足了本设计要求。设计并研制了压电陶瓷高压电源驱动电路、以热释电传感器为探测元件的传感器放大电路。采用高精度A/D 和D/A 转换芯片，设计出了基于PC 机并行增强口EPP 协议的控制板用于数据采集、步进电机驱动控制和压电陶瓷控制。 基于阿达玛编码成像研究中精细采样技术，建立了HT 成像测量的精细采样方法和快速δ 阿达玛变换（FDHT ）解码算法。在完成仪器实验设计的基础上，研制出了分辨率为4μm 的非探针多通道红外近场光学显微成像实验系统，进行了成像测量的原理性实验。实验结果充分验证了文中的理论设计与实验设计，为进一步研究工作打下了坚实的基础。