PSTM成像的标准/非标准FDTD数值分析

摘要

光子扫描隧道显微镜(PSTM)是扫描探针显微镜(SPM)的一种，利用光学探针探测样品表面隐失波携带的超高频空间信息，突破衍射极限的限制，能对纳米尺度的样品成像，且具有光学观察无损探测的特点，可观察活的生物样品，保持细胞活性，在透明材料、生物、医学研究中都有应用。 影响PSTM成像分辨率和通光效率的因素有很多，光纤探针作为提取近场信息的部件起着关键作用；入射光的极化特性也能够明显的影响成像质量；此外与探针与样品间的距离控制以及入射光的角度等都有关系。运用数值模拟可以方便有效的分析以上因素，从理论上对近场成像过程有更清楚地认识，本论文即是围绕这个目的展开。 本论文的主要内容与结果为：首先，在本课题组已有成果的基础上，尝试在PSTM中应用带铝的光纤探针来提高成像质量。采用二维时域有限差分法(FDTD)模拟计算了裸光纤、尖端镀铝颗粒光纤、孔径镀铝膜光纤和全镀铝膜光纤探针的成像，结果显示：金属纳米粒子或薄膜在可见光的激励下产生表面增强效应，采用带铝探针后的灵敏度均比裸光纤提高两个数量级；尖端镀铝颗粒光纤探针的分辨率可优于20nm；全镀铝膜和孔径镀铝膜光纤探针的分辨率分别可达到20nm和60nm。 其次，采用三维FDTD模拟计算了PSTM系统中的介质和银质金属样品在p偏振和s偏振模式光源下的近场强度分布。样品为复杂不对称“PSTM”字样，通过计算样品上方5nm处的近场强度分布可以看出：对介质样品，p偏振波能较好的反映样品的形貌，这是由入射电场的方向决定的；银质金属有表面增强作用，对不同偏振波均能在某种程度上反映样品的形貌。 最后，为解决FDTD中存在较大数值色散的问题，尝试采用非标准时域有限差分法(NS-FDTD)。它能够在二阶差分水平下比FDTD的数值色散降低104。论文给出了适用于求解近场散射强度的公式，并初步应用于近场多样品散射和PSTM系统中多样品散射。

目录

文摘

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引 言

1近场光学显微镜与近场光学理论方法简介

2时域有限差分法及其相关应用

3 FDTD数值分析PSTM成像

4非标准时域有限差分法(NS-FDTD)及其相关应用

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢