CN111157768A - 一种基于探针阵列的近场光学显微镜提取相位信息的方法 - Google Patents

一种基于探针阵列的近场光学显微镜提取相位信息的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于探针阵列的近场光学显微镜提取相位信息的方法，属于扫描近场光学显微镜技术领域。本发明在散射型扫描近场光学显微镜中，利用两个及以上的探针组成阵列取代传统的单探针激励；通过不同的振动频率Ω来分辨每根探针的散射信号，从而实现同时测量样品的不同位置处近场信号强度的差异，由此计算出该表面波的相位。本发明在传统单探针散射型近场显微镜的基础上做出改进，可以同时获得材料或生物组织表面倏逝波的场强和相位，有助于更为直观地了解被测样品的近场特性。

Description

一种基于探针阵列的近场光学显微镜提取相位信息的方法
技术领域
本发明属于扫描近场光学显微镜技术领域，涉及各波段的散射型扫描近场光学显微镜(scattering type-Scanning Near-field Optical Microscopy，简称s-SNOM)。
背景技术
近场，即倏逝场，被束缚在物体表面，离开表面后呈指数衰减。一直以来，突破衍射极限，探测物体表面的近场特性是一个公认的难题。1928年，Edward Hutchinson Synge爵士最早提出近场显微技术的设想。为突破传统衍射极限的限制，采用一根纳米级别分辨率的探针，进入待测样品的近场区。不仅可以将入射光耦合为倏逝波，也能将倏逝场转化为传播场。1984年IBM苏黎世实验室的D.W.Pohl和1986年美国康奈尔大学的A.Lewis等各自独立研制成功了近场光学显微镜。而经过三十多年的发展，近场光学显微镜已经成熟商业化，在材料分析和生物医学成像等方面取得了巨大进展，具有极高的科研价值。近场光学显微镜通常是在原子力显微镜的基础上搭建独特的采集光路，分为孔径型和散射型(无孔径型)，取决于所使用探针的类型。散射型近场光学显微镜的分辨率相对较高，近年来发展也越来越快，然而传统的散射型近场光学显微镜只能探测样品表面的电场强度，而无法直接探测表面波的相位，这为实验带来了诸多限制。
发明内容
本发明提出在散射型扫描近场光学显微镜中，利用两个及以上的探针组成阵列取代传统的单探针激励。通过不同的振动频率Ω来分辨每根探针的散射信号，从而实现同时测量样品的不同位置处近场信号强度的差异，由此计算出该表面波的相位。这是在传统单探针散射型近场显微镜的基础上做出的改进，可以同时获得材料或生物组织表面倏逝波的场强和相位，有助于更为直观地了解被测样品的近场特性，这将为科学研究和实验打开一扇全新的大门。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于探针阵列的扫描近场光学显微镜，该扫描近场光学显微镜采用两个及以上的无孔径近场散射探针组成探针阵列，来探测样品表面的倏逝场，根据倏逝波在传播方向上场强的变化计算其相位，从而同时获得样品表面近场信号的强度和相位。
进一步地，所述探针阵列中相邻探针的间距均为d，列与列的间距为D，每根探针分别采用不同的固有振动频率Ω。d与被测倏逝波的波长有关，在实际探测中小于一个波长。D与d可以取相同的数值，也可以不同，可以根据实际情况决定。两者测量的是同一平面内两个方向(比如x方向和y方向)上波的传播特性。
采用上述一种基于探针阵列的扫描近场光学显微镜提取相位信息的方法，包括以下步骤：
S1.采用电子束或者电磁波激励样品表面的倏逝场，这是近场探测的基础。
S2.扫描近场光学显微镜的探针阵列提取倏逝波的场强强度：每根探针同时采集样品表面不同位置处的近场信号，得到探测点的场强强度。
S3.通过近场信号在样品表面传播一段距离后场强的改变计算得到相位差，然后将激励被测样品产生的倏逝波角频率代入相位差即求得传播方向的波矢，从而解得电磁波的相位信息。
进一步地，步骤S1中采用电子枪(电压范围大概0-30kV)在真空中产生电子束，或者采用太赫兹时域光谱仪、傅里叶红外光谱仪、激光甚至毫米波固态源产生入射电磁波。
综上所述，本发明利用多个振动频率不同的无孔径近场散射探针组成探针阵列，来探测样品表面不同点的近场信息。每一根探针采用不同的振动频率Ω作为调制的基频，以在远场高阶解调时分辨不同探针的散射信号，从而同时获得其近场信号的强度和相位。进而可以更好的了解各种材料或结构在近场所表现出的特性，为我们理解各种物理现象提供了新的视角。并将大大推动新型材料、生物医学成像传感、新型太赫兹辐射源和凝聚态物理等领域和学科的发展，提高我国的整体科研水平。
在国际上，关于利用扫描近场光学显微镜来探测样品中表面倏逝波传播衰减的过程，进而探测其相位的想法还未有人提及是国际近场光学领域的一大科学突破。
附图说明
图1是本发明的原理图。其中a和c是两种极化方式不同的双探针模型，而b和d分别是前两者的阵列拓展模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
以图1中的a型双探针扫描近场光学显微镜为例说明具体实施方式。图中(1)为探针。本实施例中基于探针阵列的扫描近场光学显微镜采用两个无孔径近场散射探针，其间距为d。d的值与近场光学显微镜的频段有关，在本实施例中，近场光学显微镜工作在0.1-3THz的波段(波长为100-3000μm)，不考虑波矢压缩的情况下，取d＝100μm。随着频率升高，d的值可以取到纳米级别。每个探针的振动频率Ω不同，通过改变其材料或尺寸或外加电压来控制，探针的尖端尺寸一般为20～50纳米，以达到低于衍射极限的分辨率。本实施例中两个探针的振动频率Ω分别为50kHz和200kHz。图中(2)是待测样品。通过多探针同时探测，我们可以得知在待测样品上，电磁波每传播距离d后场强幅值的变化，从而计算出电磁波的相位。
使用商业信号源或电子枪产生的电子束激励样品产生的倏逝场
Figure BDA0002358192410000031
kx指x方向的波矢，ky指y方向的波矢，z指z方向的距离，其场强E随着z方向距离的增加而呈指数衰减，因此不考虑kz。设波在x方向上传播，考虑kx。探针A与探针B之间的距离为d，所处环境的折射率为n＝1.000298，光在真空中传播速度为c＝3×108m/s。则波从探针A传播到探针B，走过的路程为d，需要的时间Δt＝d·n/c。在探针A处，电场强度EA＝E0exp[j(ωt-kxx)]；在探针B处，电场强度EB＝E0exp{j[ω(t+Δt)-kx(x+d)]}，ω为电磁波的角频率，t为时间，x为x方向的距离，E0是电磁波的幅值项，exp[j(ωt-kxx)]是电磁波的相位项；电磁波的相位随着距离x和时间t的改变而改变，而相位传播特性本质上是由波矢kx和角频率ω决定的，这两者就是我们要求解的参量。不考虑损耗时，电场强度随着相位的改变在[-E0,E0]的区间内变化；将两探针处测得的场强相除，得到探针A、探针B之间的相位差EB/EA＝exp[j(ωΔt-kxd)]。
当点频波源入射时，被测样品产生的倏逝波角频率与入射波一致，将其代入之前测得的相位差即求得kx，从而直接解得电磁波的相位信息。当宽频波源或者电子注入射时，由于能量损失，从通过仪器接收到的反射波频谱或电子能量损失谱中得到倏逝波的角频率ω，代入之前测得的相位差即求得kx，从而直接解得电磁波的相位信息。

Claims (6)

1.一种基于探针阵列的扫描近场光学显微镜，其特征在于，该扫描近场光学显微镜采用两个及以上的无孔径近场散射探针组成探针阵列，来探测样品表面的倏逝场，根据倏逝波在传播方向上场强的变化计算其相位，从而同时获得样品表面近场信号的强度和相位。
2.如权利要求1所述的一种基于探针阵列的扫描近场光学显微镜，其特征在于，所述探针阵列中相邻两列探针的间距为D，一列探针中相邻探针的间距为d；每根探针分别采用不同的固有振动频率Ω。
3.如权利要求2所述的一种基于探针阵列的扫描近场光学显微镜，其特征在于，所述相邻两列探针的间距D与一列探针中相邻探针的间距d可以取相同的数值，也可以不同。
4.一种采用基于探针阵列的扫描近场光学显微镜提取相位信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采用电子束或者电磁波激励样品表面产生倏逝场；
S2.扫描近场光学显微镜的探针阵列提取倏逝波的场强强度：每根探针同时采集样品表面不同位置处的近场信号，得到探测点的场强强度。
S3.通过近场信号在样品表面传播一段距离后场强的改变计算得到相位差，然后将激励被测样品产生的倏逝波角频率代入相位差即求得传播方向的波矢，从而解得电磁波的相位信息。
5.如权利要求4所述的一种采用基于探针阵列的扫描近场光学显微镜提取相位信息的方法，其特征在于，探针阵列为双探针时：
对于倏逝波的电场矢量
Figure FDA0002358192400000011
kx指x方向的波矢，ky指y方向的波矢，z指z方向的距离；其场强E随着z方向距离的增加而呈指数衰减，因此不考虑kz；设波在x方向上传播，考虑kx；定义双探针分别为探针A与探针B，两探针之间的距离为d，所处环境的折射率为n，光在真空中传播速度为c；则波从探针A传播到探针B，走过的路程为d，需要的时间Δt＝d·n/c；在探针A处，电场强度EA＝E0exp[j(ωt-kxx)]，在探针B处，电场强度EB＝E0exp{j[ω(t+Δt)-kx(x+d)]}，ω为电磁波的角频率，t为时间，x为x方向的距离，E0是电磁波的幅值项，exp[j(ωt-kxx)]是电磁波的相位项；将两探针处测得的场强相除，得到探针A、探针B之间的相位差EB/EA＝exp[j(ωΔt-kxd)]；
当点频波源入射时，被测样品产生的倏逝波角频率ω与入射波一致，将其代入相位差即求得kx，从而得到电磁波的相位信息；当宽频波源或者电子注入射时，由于能量损失，从通过仪器接收到的反射波频谱或电子能量损失谱中得到倏逝波的角频率ω，代入相位差即求得kx，从而得到电磁波的相位信息。
6.如权利要求4所述的一种采用基于探针阵列的扫描近场光学显微镜提取相位信息的方法，其特征在于，步骤S1中采用电子枪在真空中产生电子束；采用太赫兹时域光谱仪、傅里叶红外光谱仪、激光或者毫米波固态源产生入射电磁波。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113252947A (zh) * 2021-04-21 2021-08-13 上海交通大学 基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜***
CN114322863A (zh) * 2021-12-08 2022-04-12 深圳大学 对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6542455B1 (en) * 1999-08-30 2003-04-01 Agency Of Industrial Science And Technology Optical probe array head device
JP2005091220A (ja) * 2003-09-18 2005-04-07 Ricoh Co Ltd プローブおよびプローブアレイ
CN1726388A (zh) * 2002-09-21 2006-01-25 索诺普蒂克斯(Uk)有限公司 具有热弹性探针的生物化学传感器
US20060118696A1 (en) * 2001-11-08 2006-06-08 O'connell Dan Precision optical intracellular near field imaging/spectroscopy technology
WO2006116673A1 (en) * 2005-04-28 2006-11-02 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Mutliplex near-field microscopy with diffractive elements
US7719685B2 (en) * 2006-11-30 2010-05-18 Chian Chiu Li Near-field optical apparatus and method using photodetector array
US20110318695A1 (en) * 2010-06-08 2011-12-29 David Jen Hwang Arbitrary pattern direct nanostructure fabrication methods and system
US8178784B1 (en) * 2008-07-20 2012-05-15 Charles Wesley Blackledge Small pins and microscopic applications thereof
CN102621351A (zh) * 2012-04-20 2012-08-01 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种扫描近场光学显微镜
RU2014116223A (ru) * 2014-04-22 2015-10-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет инженерных технологий (ФГБОУ ВПО ВГУИТ) Способ определения свободного винилхлорида в блочных или тонкопленочных изделиях из поливинилхлорида
US20160003868A1 (en) * 2013-03-15 2016-01-07 Anasys Instruments Method and Apparatus for Infrared Scattering Scanning Near-field Optical Microscopy
EP3176589A1 (en) * 2015-12-02 2017-06-07 Anasys Instruments Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy with background suppression
US20180052186A1 (en) * 2016-08-22 2018-02-22 Bruker Nano, Inc. Infrared Characterization of a Sample Using Oscillating Mode
US20180246032A1 (en) * 2016-04-05 2018-08-30 University Of Notre Dame Du Lac Photothermal imaging device and system

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6542455B1 (en) * 1999-08-30 2003-04-01 Agency Of Industrial Science And Technology Optical probe array head device
US20060118696A1 (en) * 2001-11-08 2006-06-08 O'connell Dan Precision optical intracellular near field imaging/spectroscopy technology
CN1726388A (zh) * 2002-09-21 2006-01-25 索诺普蒂克斯(Uk)有限公司 具有热弹性探针的生物化学传感器
JP2005091220A (ja) * 2003-09-18 2005-04-07 Ricoh Co Ltd プローブおよびプローブアレイ
WO2006116673A1 (en) * 2005-04-28 2006-11-02 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Mutliplex near-field microscopy with diffractive elements
US7719685B2 (en) * 2006-11-30 2010-05-18 Chian Chiu Li Near-field optical apparatus and method using photodetector array
US8178784B1 (en) * 2008-07-20 2012-05-15 Charles Wesley Blackledge Small pins and microscopic applications thereof
US20110318695A1 (en) * 2010-06-08 2011-12-29 David Jen Hwang Arbitrary pattern direct nanostructure fabrication methods and system
CN102621351A (zh) * 2012-04-20 2012-08-01 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种扫描近场光学显微镜
US20160003868A1 (en) * 2013-03-15 2016-01-07 Anasys Instruments Method and Apparatus for Infrared Scattering Scanning Near-field Optical Microscopy
RU2014116223A (ru) * 2014-04-22 2015-10-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет инженерных технологий (ФГБОУ ВПО ВГУИТ) Способ определения свободного винилхлорида в блочных или тонкопленочных изделиях из поливинилхлорида
EP3176589A1 (en) * 2015-12-02 2017-06-07 Anasys Instruments Method and apparatus for infrared scattering scanning near-field optical microscopy with background suppression
US20180246032A1 (en) * 2016-04-05 2018-08-30 University Of Notre Dame Du Lac Photothermal imaging device and system
US20180052186A1 (en) * 2016-08-22 2018-02-22 Bruker Nano, Inc. Infrared Characterization of a Sample Using Oscillating Mode

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
REN´E D¨ANDLIKER等: "Measuring optical phase singularities at", 《JOURNAL OF OPTICS A: PURE AND APPLIED OPTICS 6》 *
范兆忠等: "照明模式/-,W 中样品对近场光场分布的影响", 《光子学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113252947A (zh) * 2021-04-21 2021-08-13 上海交通大学 基于多探针的无光源式近场热辐射扫描显微镜***
CN114322863A (zh) * 2021-12-08 2022-04-12 深圳大学 对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法
CN114322863B (zh) * 2021-12-08 2023-05-05 深圳大学 对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法

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