反射式扫描近场光学显微镜及其成像

　　1　概　述

　　扫描近场光学显微镜(Scanning Near-field Optical Microscope,SNOM)由于突破了传统光学衍射极限的限制,实现了百纳米乃至十几个纳米尺度的成像,同时又兼具传统光学成像的优点:无损伤、可通过改变光波长、偏振实现多对比成像等,因而引起了物理、化学、生物、材料等科学领域的广泛重视。

　　SNOM的成像原理最早于1928年由Synge提出[1],由于微位移控制技术方面的困难,SNOM直至80年代中期才真正在实验室获得成功[2]。此后有关报道逐年增多,先后出现几十种不同结构的SNOM[3,4]。各类SNOM都可根据微光源和微探测器相对于被观测样品的位置分为透射[5～7]和反射式(reflection)[8～10]两类,前者的微光源和微探测器分居样品的两侧,后者的微光源和微探测器则位于样品同侧。由于各类反射式SNOM(RSNOM)都不同程度地存在着噪声背景干扰、照明接收光路相干扰、收集光路数值孔径较小等问题,实现起来难度较大,目前国际上RSNOM的成像分辨率普遍不及透射式SNOM。然而RSNOM对被观测样品厚度及透明度都无特殊要求,其可观测样品范围较透射式明显要宽,因而研究意义十分重大。国内SNOM研究工作开始于90年代初,近年在PSTM以及其它透射式SNOM方面陆续取得一些成果[11～13],但关于RSNOM方面的研究报道很少[14]。鉴于RSNOM的重要研究意义,我们研制成功一台光纤探针同时作为微光源和探测器的RSNOM,并对其超衍射极限成像特性进行了系统研究。

　　2　RSNOM成像原理及装置结构

　　SNOM高分辨成像的关键在于引入了近场的概念。近场是指被探测物体表面约一个探测光波长以内的电磁场。理论研究证明受光照明物体表面的近场包括两种成份:一种是传导波(propagating wave),可从近场区域向远处传播而同时存在于远场区域;另一种是衰逝波(e-vanescent wave),其强度随距物体表面距离的增加而呈指数衰减,因而仅存在于近场区域。传导波和衰逝波作为一个完备整体包含了物体表面结构(指表面光学特性和形貌一同形

成的综合结构)的全部信息[4]。其中传导波中包含物体表面粗结构的信息,衰逝波中则包含样品细结构信息,两种结构信息的界限是Abbe衍射极限λ/2。传统的光学成像探测到的是远场,因其中仅含传导波而只能获得物体表面粗结构信息。而近场成像则可同时探测近场传导波和衰逝波,因为后者的存在,所获信息中就包含了超衍射极限的物体表面结构信息。SNOM的基本原理就是利用微探针深入到样品表面近场区域实现了对近场衰逝波的探测从而突破了传统光学衍射极限,实现了高分辨成像。

　　我们研制的RSNOM总体结构如图1所示,激光起偏后经耦合透镜聚焦注入光纤,由光纤探针照明样品,样品表面反射回的光信号仍由光纤探针接收,在耦合透镜前端经格兰-泰勒棱镜偏振分束后由光电倍增管(PMT)接收。前置放大器输出交直流两路信号,其中直流信号给出探针返回信号值,交流信号进入锁相放大器。锁相的参考端由函数发生器提供,该发生器同时驱动一压电陶瓷片以频率为几千赫兹、振幅为几十纳米的纵向振动,从而实现了对探针返回光信号的调制。扫描控制系统利用了电子隧道显微镜的控制原理,由步进电机实现探针、样品的预接近,由压电陶瓷管(PZT)实现探针相对于样品的三维扫描控制。控制电路中包括反馈电路,并配有控制开关可在恒高、恒强两种模式下工作。系统的主要参数调节及扫描成像由计算机进行控制管理,我们设计开发了Windows环境下的SNOM控制软件可方便实现对整个系统的操控及图像的处理。