近场微波扫描显微镜的研究

摘要

随着现代工业技术发展对显微技术的要求越来越高，但是传统的显微技术已经不能满足一些特定领域领域的显微要求，比如无接触、无损伤、亚表面探测等，基于微波的特性，这些都可以成为近场微波扫描显微镜的优势。近场微波扫描显微镜的发射能量低，探测时候不用接触样品，可以无损伤的探测样品。同时由于微波可以穿过介质材料，近场微波显微镜就可以探测样品内部的特性。同时利用校准算法，近场显微镜还可以用来对样品进行定量测量。基于近场微波扫描显微镜的这些不可替代的优点，研究发展近场微波扫描显微镜具有非常重要的意义。本文在研究近场微波扫描显微镜探头的基础上，利用仿真软件探究各个测量参数比如反射系数S11和谐振频率等和被测量样品各个性质之间的联系，同时基于合理的设计，对近场微波扫描显微镜做出了一些改进。
　　论文首先分析了近场显微镜的工作原理，探究了近场的概念、近场和远场的区别、近场中电磁场的分布特性等。梳理了近场微波显微镜发展过程中的几个重要结构主要是有孔探头和无孔探头结构以及各自的优点。基于集总参数模型和传输线模型分析了近场微波显微镜的工作原理。当样品特性改变时候，阻抗就会发生变化，进而影响反射系数，谐振频率等，这些样品特性的改变包括介电常数，导电率，损耗正切角的改变等。
　　本文基于电容加载同轴谐振腔设计了一个近场微波显微镜探头，通过理论计算，得到了探头长度和内外径的大体长度。并且通过研究分析电容加载同轴谐振腔和近场微波显微镜探头的特点，对探头耦合环的位置，内外径的长度等参数进行了优化。基于理论，本文对近场微波显微镜的空间分辨率进行了详细分析，并且比较了谐振频率的偏移，反射系数的幅值和相位等各个参数的表现；分析了显微镜对亚表面样品的探测能力；分析了样品的介电常数和探头的谐振频率之间的距离联系。

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第一章 绪论

1.1课题研究的背景

1.2近场显微镜国内外研究进展

1.3 研究内容

第二章 近场微波扫描显微镜的工作原理

2.1基本概念

2.2一般近场微波扫描显微镜设计原则

2.3近场微波扫描显微镜理论

2.4本章小结

第三章 基于电容加载同轴谐振腔显微镜探头设计

3.1同轴线谐振腔介绍

3.2近场显微镜探头的结构设计

3.3近场显微镜探头的设计与优化

3.4本章小结

第四章 近场微波扫描显微镜的性能分析

4.1空间分辨率分析

4.2近场显微镜的亚表面探测能力

4.3样品介电常数和谐振频率的关系

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2不足与展望

参考文献

致谢

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