Принципи оптичної мікроскопії ближнього поля
Traditional optical microscopes are composed of optical lenses that can magnify objects to thousands of times to observe details. Due to the diffraction effect of light waves, it is impossible to increase the magnification infinitely because it will encounter the obstacle of the diffraction limit of light waves. Traditional optics The resolution of a microscope cannot exceed half the wavelength of light. For example, using green light with a wavelength of λ=400nm as a light source, it can only distinguish two objects that are 200nm apart. In practical applications, λ>400nm, the resolution is lower. This is because general optical observations are performed far away from the object (>>λ).
Базуючись на принципах виявлення та зображення нерадіаційних полів, оптичні мікроскопи ближнього поля можуть подолати дифракційну межу звичайних оптичних мікроскопів і можуть проводити нанорозмірні оптичні зображення та нанорозмірні спектральні дослідження з надвисокою оптичною роздільною здатністю.
Оптичні мікроскопи ближнього поля складаються із зондів, пристроїв передачі сигналу, систем керування скануванням, обробки сигналів і систем зворотного зв’язку. Принцип генерації та виявлення ближнього поля: падаюче світло випромінює об’єкт із безліччю дрібних структур на поверхні. Під дією падаючого світлового поля відбиті хвилі, що генеруються цими структурами, включають хвилі, що спливають, обмежені поверхнею об’єкта та поширюються далеко. розповсюджуються хвилі. Еванесцентні хвилі походять від крихітних структур в об’єктах (об’єкти, менші за довжину хвилі). Хвиля, що поширюється, походить від грубої структури об’єкта (об’єкти, більші за довжину хвилі), яка не містить жодної інформації про тонку структуру об’єкта. Якщо дуже маленький розсіювальний центр використовувати як нанодетектор (наприклад, зонд) і розташувати його досить близько до поверхні об’єкта, миттєва хвиля буде збуджена і знову випромінюватиме світло. Це збуджене світло також містить хвилі, що не виявляються, і хвилі, що поширюються, які можуть поширюватися у віддалені місця для виявлення. Цей процес завершує виявлення ближнього поля. Перетворення між миттєвим полем і полем, що поширюється, є лінійним, і поле, що поширюється, точно відображає зміни в миттєвому полі. Якщо для сканування поверхні об’єкта використовувати розсіювальний центр, можна отримати двовимірне зображення. Відповідно до принципу взаємності, ролі джерела світла освітлення та нанодетектора поміняні місцями, а джерело наносвітла (негасне поле) використовується для освітлення зразка. Завдяки розсіюючому впливу тонкої структури об’єкта на поле освітлення, гаснуча хвиля перетворюється на сигнал, який можна виявити на відстані. Результати виявлення хвиль, що поширюються, точно такі ж.
Оптична мікроскопія ближнього поля використовує зонд для точкового сканування поверхні зразка та запису його точково перед цифровим зображенням. На малюнку 1 представлена принципова схема формування зображення оптичного мікроскопа ближнього поля. На малюнку метод грубої апроксимації xyz може регулювати відстань між зондом і зразком з точністю до десятків нанометрів; тоді як сканування xy та керування z можуть контролювати сканування зонда та зворотний зв’язок у напрямку z з точністю до 1 нм. Падаючий лазер на малюнку вводиться в зонд через оптичне волокно, і стан поляризації падаючого світла можна змінювати відповідно до вимог. Коли падаючий лазер опромінює зразок, детектор може окремо збирати сигнал передачі та сигнал відбиття, модульований зразком, які посилюються фотопомножувачем, а потім безпосередньо перетворюються з аналогового на цифровий, а потім збираються комп’ютером або вводяться в спектрометр через спектроскопічну систему для отримання спектру. інформації. Контроль системи, збір даних, відображення зображень і обробка даних виконуються комп’ютерами. З наведеного вище процесу зображення видно, що оптичні мікроскопи ближнього поля можуть збирати три типи інформації одночасно, а саме морфологію поверхні зразка, оптичні сигнали ближнього поля та спектральні сигнали.
