纳米光学之近场光学教学教材演示幻灯片.pptxVIP

纳米光学及应用Nano-Optics and ApplicationsNanophotonics近场光学1 Near-Field Optics什么是近场光学为什么要用近场光学——衍射极限近场光学基本原理本讲内容近场光（表面波）近场： 从物体表面到一个波长以内的距离。远场： 从近场以外一直延伸到无穷远的区域。一、什么是近场光学近场光学及近场光学显微镜概念1、近场光学： 研究距离物体表面一个波长以内光学现象的学科。2、近场光学显微镜： 用来观测微观尺度光学现象的新观测工具。 不用光学透镜成像, 而用探针的针尖在样品表面上方扫描获得样品表面的信息。一、什么是近场光学隐失场，隐失波，倏逝波一、什么是近场光学二、为什么要用近场光学传统光学显微镜照片二、为什么要用近场光学肉眼I / I0相对光强曲线显微镜筒主极大艾里斑第一极小样品台sin?聚光镜光源传统光学显微镜分辨本领传统光学显微镜－光学透镜组成光学衍射极限 －艾里斑 二、为什么要用近场光学二、为什么要用近场光学二、为什么要用近场光学传统光学分辨率极限提高传统光学显微镜分辨率的途径 1）选择更短的波长 uv 电磁辐射、x 射线、或电子束 2）提高n, 用折射率很高的材料工作 浸油显微镜 二、为什么要用近场光学扫描穿隧式显微镜1982scanning tunneling microscopy,STM二、为什么要用近场光学原子力显微镜1985atomic force microscopy, AFM二、为什么要用近场光学磁力显微镜1987magnetic force microscopy,MFM二、为什么要用近场光学扫描近场光学显微镜1986scanning near-field optical microscopy,SNOM二、为什么要用近场光学长期以来，光学显微镜的成像效果被认为受到光的波长限制，无法突破0.2微米、即光波长二分之一的分辨率极限。这3位科学家则以创新手段“绕过”这一极限，通过激光束激活荧光分子，在荧光分子发光的时候通过特别手段消除或过滤掉多余荧光，从而获得比“极限”更精确的成像。二、为什么要用近场光学回到近场光学二、为什么要用近场光学二、为什么要用近场光学二、为什么要用近场光学二、为什么要用近场光学二、为什么要用近场光学二、为什么要用近场光学二、为什么要用近场光学三、近场光学基本原理回顾傅里叶光学基本内容隐失场三、近场光学基本原理yy’Fxx’衍射屏光学图象透镜频谱分析器夫琅禾费衍射场傅立叶频谱面Basic concept of Fourier Optics 傅立叶光学的基本思想单色波入射，空间频率信息会被特定方向的衍射波输送出来，衍射波在近场彼此交织，到了远场它们分开，从而达到分频的目的.远场分频装置是透镜，衍射斑和图象的空间频率一一对应，焦面就图象的傅立叶频谱面－－现代光学对夫琅禾费衍射的新认识。三、近场光学基本原理频谱面频谱面物面物面高频信息 成像光学仪器就是一个低通滤波器。物平面包含从低频到高频的信息,透镜口径限制了高频信息通过,只许一定的低频通过, 丢失了高频信息的光束再合成,图象的细节变模糊。三、近场光学基本原理FC’AB’BCA’入射光经物平面发生夫琅和费衍射，在频谱面上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加，形成像。三、近场光学基本原理yy像场物场E(x,y,z)xxzE(x,y,0)傅里叶光学角谱方法采用傅里叶光学平面波展开法，原点（x,y,0）得到的角谱 (2) （3）三、近场光学基本原理由E(x，y，z ）处的光场 （4） （5）三、近场光学基本原理隐失场理论1、隐失场的特征隐失波 (evanescent wave，衰逝波, 迅消波、倏逝波等)尺寸小于波长的信息，包含在隐失场中。隐失场离开物体表面在空间急剧衰减。隐失场是非辐射场或非传播场。 四百年前，牛顿所做的棱镜全反射就显现倏逝波现象。三、近场光学基本原理三、近场光学基本原理隐失场的特征开口直径微小开口产生的隐失场三、近场光学基本原理隐失场的近场探测原理1）近场探测的基本原理 ： 将隐失场中的携带有物体表面精细结构信息，尽量不失真的带到位于远处的探测成像装置中，再转变成人眼所能够观察的图像信号。 三、近场光学基本原理x2L2dzz=Zz=0隐失场的近场探测原理2）两个光学窗口的探测问题A. 远场探测E (x, 0)的角谱为：Z处角谱为z处的光波场 （7）三、近场光学基本原理x2L2dzz=Zz=0隐失场的近场探测原理紧贴屏后的电磁场El(x,z=0) 为:矩形函数为 的傅里叶变换式为 带入 （7） （8）三、近场光学基本原理x2L2l2dzz=Zz=0z=ε隐失场的近场探测原理B.近场探测 z=ε处的光场透过ε屏后的电场为 此时在z=Z处探测到的光场为 （9） 三