传统光学显微镜与近场光学显微镜

　　1　引　言

　　传统光学显微镜是显微镜家族里最年长的成员,迄今已有几百年的历史。它曾经是观测微小结构的唯一手段。传统的光学显微镜以光学透镜为主体,利用透镜将物体放大或成像。一般地讲,单个透镜能将物体放大几十倍,使用透镜组合几乎可放大到近千倍。光的衍射效应限制了光学显微镜进一步提高分辨力的可能性。这就是瑞利分辨力极限。

　　1982年,瑞士苏黎世IBM的G.Binning和H.Rohrer[1]等发明了扫描隧道显微镜(STM),极大地提高了观测灵敏度,其横向分辨力达到0.01nm,纵向分辨力为0.001nm,比传统的电子显微镜提高两个数量级[2]。这是显微镜发展史上的一个重要的里程碑。以后相继出现了同STM技术相似的新型扫描探针显微镜(SPM)[3]。

　　SPM不采用物镜成像,而用探针的针尖在样品表面上方扫描来获得样品表面的信息。不同类型的SPM主要表现在针尖的特性不同、针尖与样品之间的相互作用性质不同。以原子力显微镜(AFM)为代表的扫描力显微镜(SFM)通过控制、检测针尖与样品间的相互作用力(如:原子间的斥力、摩擦力、弹力、范德瓦耳斯力、磁力和静电力等),分析研究样品表面的性质。

　　AFM的横向分辨力可达2nm,纵向分辨力为0.01nm,超过了普通扫描电子显微镜的分辨力,而AFM对工作环境和样品制备的要求却很少。

　　扫描隧道显微镜(STM)的成果很快被应用到光学领域,极大地推动了近场光学显微镜(SNOM)的发展。1984年,瑞士苏黎世IBM的D.Pohl等人利用微孔径作为微探针制成了第一台近场光学显微镜[4]。同时,美国康奈尔大学的E.Betzig等也制成了用微管(micropipette)作探针的近场光学显微镜[5]。随后,各种各样的近场光学显微镜逐渐走向成功,开始应用于表面超精细结构的光学现象观测校样。文中还介绍了近场光学显微镜的最新动态等。

　　2　传统光学显微镜概述

　　传统的光学显微镜由光学透镜组成。利用材料的折射率和透镜的曲率将被观察物体放大以获得其细节信息。然而,光学显微镜的放大倍数不能任意增大,它要受到光学衍射极限的限制。

　　德国物理学家阿贝(E.Abbe),用衍射理论预言了分辨力极限的存在。以后瑞利(L.Rayleigh)用简明的公式表述如下:

　　其中r为两点间的距离,λ为光束的波长,n为介质的折射率,θ为将光束收集和聚焦到探测器的透镜的半角孔径。它规定了两点刚好被分辨的距离,该量由成像系统参数所决定。上述不等式说明为提高分辨力(即减小距离r),只能够通过以下三个途径:(1)选择更短的波长(若选择uv电磁辐射、x射线、或电子束会更有效)。(2)为提高n,用折射率很高的材料工作。这是浸油显微镜的原理,由Amici在19世纪中叶发明。(3)增大显微镜的孔径角。电子显微镜用电子束代替光束,使得分辨力大大提高。应该注意到瑞利判据是建立在传播波的假设下,如果能够探测非辐射场,那么就能期望规避瑞利判据而且完全突破衍射壁垒的限制。