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近场光学仪器的发展及应用

时间:2017-08-11 数学毕业论文 我要投稿

目   录
摘要 1
引言 1
1.近场光学 1
1.1 光学显微镜的分辨率与衍射极限 1
1.2 近场与远场 2
1.3 非辐射场与近场光学的成像原理 3
1.4 光学隧道效应 4
1.5 物体附近微小区域中的隐失场  近场探测原理 4
2 近场学显微镜 5
2.1 SNOM的基本思想 5
2.2 有关SNOM的几个技术问题 6
2.3 近场光学显微镜(SNOM)的应用 6
2.3.1 高分辨率光学成像 6
2.3.2 单个荧光分子的标记 7
2.3.3 对细胞精细结构的观察 7
3 近场光学储存 7
3.1 近场光学储存的基本思想 7
3.2 近场光学储存的几个技术问题 8
3.2.1  PSM方案 8
3.2.2 Super——RENS方案 8
结论 9
参考文献 10
致谢 11


近场光学仪器的发展及应用
 
摘要:近场光学仪器是基于近场光学原理的以近场光学显微镜为主的分析仪器。所谓近场光学,是研究距离物体表面1个波长以内的光学现象的新型交叉学科,基于非辐射场的探测与成像原理。与传统光学显微镜不同,它突破了传统的衍射极限,可以在超高光学分辨率下,进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。 
本文讨论了近场光学的基本原理、非辐射场的探测与高分辨率的关系;近场光学中光学限阀和隐失场的重要性;以及怎样获取近场信息。论文对近场光学中的近场光学显微镜的主要类型及相关的仪器发展、分辨率、衬度原理做了详细综述,并简要介绍了近场光学显微镜在超高分辨率光学成像、近场局域光谱、高密度数据储存、生命科学、单分子光谱和量子器件发光机制等领域的应用。
    关键词:近场光学;显微镜;隐失;超高分辨率
Near—field optical instruments development and application
Abstract: Near—field optical instruments is a analytical instruments which is based on the principles of the near—field optics, mostly are near—field optical microscopes. The so-called near-optical, is a new cross - disciplines to study the optical phenomenon within a wavelength of distance to the surface of the objects. It is based on the detection of the non-radiation field and imaging principles. It is different from the traditional optical microscopes, and it broke the traditional diffraction limit, it can do nano-scale optical imaging and nano-scale spectral studies in a high optical resolution. 
In this paper, we have discussed the basic principles of field optics, the relation of non-radiation-detection and high-resolution; the essentiality of optical limited and concealing stolen field in near—field optics; how to obtain near—field information; This paper make a detailed overview of the major types of the optical microscopes , the development of correlative equipment, the resolution, the principles of dehunidification, and it outline the applications of near—field optical microscope in the areas such as high-resolution optical imaging, near—field spectrum of part area, high density data storage, and life sciences, single molecular spectrum, quantum apparatus luminous mechanism.
Keywords:near—field optics;microscopes;concealing stolen field;high-resolution

引言   
光学是1门古老的学科,它的发展史可追溯到2000多年前。人类对光的研究,最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体?”之类问题。约在公元前400多年(先秦时代),中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识,它有8条关于光学的记载,叙述影的定义和生成,光的直线传播性和针孔成像,并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。
自《墨经》开始,公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜;公元1590年到17世纪初,詹森和李普希同时独立地发明显微镜;1直到17世纪上半叶,才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果,归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。
1665年,牛顿进行太阳光的实验,它把太阳光分解成简单的组成部分,这些成分形成1个颜色按1定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第1次接触到光的客观的和定量的特征,各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。[1]
近场光学是80年代在小尺度与低维空间的推进与扫描探针显微技术的基础上发展起来的。近场光学的发展突破了传统的光学分辨极限。给我们探索微观世界提供了先进的观察条件。1984年,近场光学显微镜的原型“光学听诊器”的发明,标志着人类第1次突破了光学显微镜的衍射极限分辨率。自1992年用单模光纤做成光学探针以及利用切变力进行探针针尖至样品表面距离测控后,近场光学显微镜开始被作为1种用于观察和研究亚波长物体的外观形貌和内在性质的新型光学仪器。在此后的短短几年内,在纳米和介观尺度上,它被广泛应用到物理、化学、生物、医学和信息产业等领域。
1.近场光学
1.1 光学显微镜的分辨率与衍射极限
    传统的光学显微镜由光学镜头组成。由于可见光的成像直接被人眼睛所接收,同时光学显微镜易于操作,造价较低。因此,成为实验观察与检测的常规工具,人们可以方便地将被观察物体放大至上千倍以获得细节信息。同时还可以利用光的偏振.吸收、反射和光谱特性等进行综合性研究。
    然而,光学成像的放大倍数是不能任意增大的。如果要将光学放大倍数提高到上千倍以上时将受到1个严重的障碍——光学衍射极限。由于光波的衍射效应传统光学显微镜的分辨率不能超过光波长的1半。这个规律是1个多世纪前由德国科学家阿贝(Frnst Abbe)根据衍射理论推导出来的。然后,瑞利(Rayleigh)归纳为1个常用公式;[2]瑞利判据:

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