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日期: 2016-08-05 | 來源: 科學出版社博客 | 有0人參與評論 | 字體: 小 中 大
1959年美國物理學家費曼曾發表了著名的演說“在底層還有許多空間(There is plenty of room at the bottom)”，被譽為“納米科學的開山之作”。費曼在演講中指出，如果人們將壹微米的長度分割成納米的片斷。人們能夠想象有多少片斷和多少空間是能夠進行操作的？經典光學和量子光學能夠解釋從宇宙到光子的物理現象，但是處於納米尺度（國際上定義為1～100nm），即介觀尺度卻是空白。近場光學和納米光學的發展正好填補了這個空白。當光與物質的相互作用進入納米尺度時，產生了許多人們意想不到的奇異現象。後來科學的發展充分證明了費曼的論斷是多麼富於科學的洞察力。它不僅引起了科學家極大的興趣和關注，而且引發了人們對納米科學技術發展前景的希望和憧憬。
人們總想看清楚更小更細微的物體，光學顯微鏡是最好的工具。但是當進入納米領域，由於受到衍射極限的限制，傳統光學顯微鏡難以勝任。長期以來，突破光學衍射極限是科學家面對的挑戰，實現超光學分辨成像是科學家的夢想。近場光學方法的出現和發展不僅突破了光學衍射極限，而且實現了超衍射分辨率的光學成像，更為科學家們揭示納米尺度上認識光與物質的相互作用提供了壹個全新的技術。
傳統光學顯微鏡系統的放大倍率是不能任意增大的，其光學分辨率受到衍射極限的限制。根據瑞利判據，由於衍射效應，傳統光學顯微鏡分辨率不會超過照明光波長的壹半。例如：使用波長500納米左右的黃綠色光源，光學分辨率不會超過250納米。由瑞利判據可知，提高分辨率的方法包括：短波長光照明，如紫外光、極紫外、X射線等；提高物方折射率，如高折射率介質材料，選用高折射率油加在顯微物鏡和樣品之間構成油浸物鏡；增加顯微物鏡的半孔徑角。所有這些方法都為人們所熟知。盡管通過這些手段在壹定程度上能提高成像分辨率，但傳統的光學顯微鏡還是無法突破光學衍射極限。
突破光學衍射極限是科學家始終不渝的追求目標。1928年，E. H. Synge提出了近場成像的概念，其原理如圖所示，主要包括肆個部分：(i)在不透明的平板或薄膜上制備壹個尺度遠小於入射光波長的小孔，使得入射光只能從小孔透射；(ii)控制待測樣品與小孔的間距在近場范圍內，如10-20nm；（iii）入射光通過小孔照明樣品，透過樣品的光通過顯微鏡聚焦到探測器上；(vi)對樣品表面以柵格化方式掃描，這樣就克服了衍射極限，從而獲得超高光學分辨率的圖像。理論上，這種成像方法是完全可行的，且分辨率可以達到10 nm甚至更高，這就是最早提出的掃描近場光學顯微鏡（Scanning Near-field Optical Microscopy – SNOM，也稱為Near-field Scanning OpticalMicroscopy –NSOM）的雛形。雖然由於當時技術條件的限制，Synge的構想未能實現，但是Synge提出的概念設計開啟了近場光學測量思維的大門。之後，經過了將近60年的發展，這些制約Synge構想實現的技術難題逐壹被攻克。從此近場光學測量和表征的研究進入了壹個全新的發展時期。
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