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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
2、动性制造电子显微镜，因为电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 Rohr
3、er，1933-)以表彰他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.
4、,使用短波长或电子束分辨率虽然提高，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
5、一台扫描近场光学显微镜 1991年，Betzig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
6、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
7、超分辨？ 目前的前沿之一,The End 谢谢大家！,Optical stethoscopy: Image recording with resolution .1/20 D. W. Pohl, W. Denk, and M. Lanz Appl. Phys. Lett. 44 (7), 651， 1April 1984 Subwave length-resolution optical image recording is demonstrated by moving an extremely narrow aperture along a test object equipped with
8、 fine-line structures. Details of 25-nm size can be recognized 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：,