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1、超衍射极限和近场光学显微镜,人类视野的拓展：望远镜和显微镜,几何光学:物点 像点 物(物点集合)像(像点集合),波动光学:物点 像斑 物(物点集合)像(像斑集合),(经透镜),(经透镜),瑞利判据:两艾里斑中心的夹角等于每个艾里斑自身的半角宽度,物镜衍射极限,*显微镜的分辨本领和物镜数值孔径,如何提高分辨本领？纳米分辨？,提高分辨率的方法之一是提高N.A.，可通过油浸和使用广角透镜获得较大的数值孔径。不过N.A.最大为1.5左右，此时y0m0/2,这是传统光学显微镜的极限分辨率半波长。选择短波长光照明是提高显微镜分辨本领的另一个途径。,电子显微镜：利用运动电子的具有波动性制造电子显微镜，因为电
2、子的德布罗意波长极短，所以它有极高的空间分辨本领。,电子束发散角较小，u00.16rad；,电子波长取决于电子的加速电压：,1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院（Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft）的恩斯特鲁斯卡（ErnstRuska，1906-1988)，以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜；另一半授予瑞士鲁希利康（Rschlikon）IBM苏黎世研究实验室的德国物理学家宾尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理学家罗雷尔（Heinrich Rohrer，1933-)以表彰他
3、们设计出了扫描隧道显微镜。,TECNAI F30场发射透射电镜点分辨率：0.205 nm point at 300kV 线分辨率：0.102 nm line at 300kV,环境可控扫描电镜特点:图像分辨率高对任何样品无需处理，可直接进行观察；进行动态反应过程的直接观察。,电子显微镜下的病毒照片,用电子显微镜拍摄的苯分子照片,GaAs纳米晶的透射电镜照片和电子衍射图,透射电镜下观察到的主要是GaAs纳米晶的的团聚体,同时,在团聚体中也可一观察到5-20 nm的GaAs颗粒,图b是图a对应的电子衍射图,可以看出,只有面心立方结构GaAs纳米晶的多晶衍射特征环.,使用短波长或电子束分辨率虽然提高
4、，但丧失了光学探测无损的优势，并且无法直接获得光谱学信息。价格昂贵，系统复杂,以上方案均受制于衍射能否突破衍射极限？,1928年，Synge 设想,(1)在不透明的平板或薄膜上，制备出一个近乎10 nm的小孔，置于生物样品切片正下方，两者间隔近10nm(2)入射光通过平板小孔照明样品，透过样品的光被显微镜聚焦到光电池上。(3)保持入射光源强度不变，在两个横方向上，以10nm的步距移动样品，使入射光点沿样品平面网格状扫描样品。,发展历史：1928年，Synge 提出设想 1972年，Eric Ash等人在微波波段实现1984年，Pohl等研制成功第一台扫描近场光学显微镜 1991年，Betzig
5、等人采用光纤探针并结合剪切力测控探针-样品间距，SNOM真正实用。,技术难点：扫描和距离的控制+高质量纳米光孔制备,探针样品间距控制,方法：隧道电流针尖样品间力的相互作用,切变力探测,传统AFM的光杠杆技术,光学探针,探针孔径 SNOM分辨率 通光效率 SNOM信噪比,孔径越小，通光越低典型探针孔径：50100纳米,488 nm,热拉法：,优点：制备快、方便，表面光滑。缺点：锥角小(10),通光低,易碎。,NSOM 探针制备,化学腐蚀：,优点：制备快，锥角大20-30，通光效率高缺点：HF有毒，表面性质难控,镀膜：,微制备：,优点：可重复性好，可批量生产缺点：制备工艺复杂,光学探针 探针样品间
6、距z 的反馈控制系统 驱动样品或针尖在x-y平面内运动的二维扫描系统 信号采集系统 图像处理系统,发展：近场光学显微镜种类和工作模式,(a)有孔针尖SNOM(b)无孔针尖SNOM(c)光子隧穿显微镜,按探针作用分为：照明模式（I mode）收集模式（C mode）照明收集模式（I-C mode）,按光信号获取方式不同：反射模式 透射模式 荧光模式,工作模式：,近场光学显微镜应用,超分辨成像 近场光谱 近场光存储 近场光学在生物领域中的应用,TERS,近场显微镜缺点：探针的扰动逐点扫描，信号采集时间长,新的原理？远场超分辨？目前的前沿之一,The End谢谢大家！,Optical stethos
7、copy:Image recording with resolution.1/20D.W.Pohl,W.Denk,and M.LanzAppl.Phys.Lett.44(7),651，1April 1984Subwave length-resolution optical image recording is demonstrated by moving an extremely narrow aperture along a test object equipped with fine-line structures.Details of 25-nm size can be recogniz
8、ed using 488-nm radiation.The result indicates a resolving power of at least/20 which is to be compared with the values of/2.3 obtainable in conventional optical microscopy.,Near-Field Optics:Microscopy,Spectroscopy,and Surface Modification Beyond the Diffraction Limit,Science 10 July 1992:Vol.257.no.5067,pp.189-195,Eric Betzig and Jay K.Trautman,附录：阿贝正弦条件,在傍轴条件下：,
