芯耀
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近場光學(xué)
根據(jù)探測物體與被探測物體之間的距離 L 與光波長 λ 的關(guān)系，光波的傳播特性可分為以下三類：光學(xué)近場、光學(xué)束縛場、光學(xué)遠(yuǎn)場。
? 光學(xué)遠(yuǎn)場（L?λ）：光波在兩者間的傳播遵循經(jīng)典衍射定律，相互作用可忽略。此時，電磁場主要表現(xiàn)為輻射場，可被傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)探測，對應(yīng)遠(yuǎn)場成像的物理基礎(chǔ)。
?? ? ?光學(xué)束縛場（L?λ）：物體間的電磁場高度局域化，形成強(qiáng)耦合的束縛態(tài)，需用量子光學(xué)理論描述。此狀態(tài)下，系統(tǒng)可視為單一量子體系，光子與物質(zhì)相互作用呈現(xiàn)非經(jīng)典效應(yīng)；
? 光學(xué)近場（0.01λ≤L<λ）：物體間存在不可忽略的相互作用，光傳播偏離傳統(tǒng)衍射定律，隱失場主導(dǎo)，場分布依賴物體表面結(jié)構(gòu)。
近場光學(xué)成像技術(shù)
近場光學(xué)成像技術(shù)（Near-field Optical Imaging）是研究物體表面一個波長（通常為納米至微米尺度）范圍內(nèi)光學(xué)現(xiàn)象的新型交叉學(xué)科。近場光學(xué)這一命名是相對傳統(tǒng)光學(xué)、遠(yuǎn)場光學(xué)而言的，旨突破傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的衍射極限（約200-300 nm），實(shí)現(xiàn)納米級分辨率（可達(dá)10 nm以下）的光學(xué)成像與光譜分析。近場光學(xué)通過研究隱失場和局域光場，為揭示光與物質(zhì)在納米尺度上的相互作用機(jī)理提供了重要手段。這一領(lǐng)域的研究不僅推動了光學(xué)顯微鏡技術(shù)的革新，還為納米光子學(xué)和納米技術(shù)的發(fā)展提供了理論和技術(shù)支持。
近場光學(xué)的物理機(jī)制基于隱失場（Evanescent Field）的轉(zhuǎn)換與探測。當(dāng)光波與物體表面精細(xì)結(jié)構(gòu)相互作用時，會激發(fā)攜帶亞波長信息的高空間頻率隱失場，這些場在近場區(qū)域（距離表面小于波長）急劇衰減。通過納米探針將隱失場轉(zhuǎn)換為可傳播的輻射場，并配合精密掃描系統(tǒng)，即可重構(gòu)出超分辨圖像。這一過程涉及四個關(guān)鍵轉(zhuǎn)換步驟：入射波→隱失場→探針耦合→遠(yuǎn)場信號采集。
近場光學(xué)成像的概念[2]
近場光學(xué)常見的成像技術(shù)包括基于掃描探針的近場光學(xué)顯微鏡和基于超透鏡的光學(xué)顯微技術(shù)。掃描近場光學(xué)顯微鏡是一個采樣技術(shù)，樣品信息被逐點(diǎn)掃描，記錄并成像，其基于亞波長的光學(xué)探針，將局域能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠芰炕蛳喾矗@一原理類似光學(xué)天線。掃描近場光學(xué)顯微鏡可以細(xì)分為：
光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）：基于全反射隱失場耦合，探測樣品折射率分布。
孔徑型近場光學(xué)顯微鏡（a-SNOM）：通過金屬化光纖尖端（孔徑<100nm）限制光場。
散射型近場光學(xué)顯微鏡（s-SNOM）：利用探針尖端散射增強(qiáng)近場信號，無需物理孔徑，其尺寸比孔徑型更小，可小至幾個納米。
超透鏡光學(xué)顯微技術(shù)包括基于superlens/hyperlens的超透鏡原理和基于微球顯微的原理，其本質(zhì)都是將具有高頻信息的近場倏逝波傳播到遠(yuǎn)場范圍。
1994年，法國科學(xué)家 D. Courjon 提出了經(jīng)典近場光學(xué)模型，系統(tǒng)闡述了隱失場的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換與探測機(jī)制，為理解近場光學(xué)原理奠定了理論基礎(chǔ)。當(dāng)入射光照射到具有亞波長精細(xì)結(jié)構(gòu)的樣品表面時，光與物質(zhì)相互作用會同時產(chǎn)生傳播場和隱失場，當(dāng)探針進(jìn)入近場區(qū)域時，由于探針和隱失場的相互作用，隱失場被二次散射產(chǎn)生傳輸場，同時探針附近會產(chǎn)生二次激發(fā)的隱失場。
由此可見近場光學(xué)顯微技術(shù)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)條件有三個：1）探針必須進(jìn)入隱失場；2）隱失場必須轉(zhuǎn)換為傳播場；3）轉(zhuǎn)換關(guān)系滿足線性。
隱失場產(chǎn)生與探測原理，ref 9
近場的超光學(xué)衍射極限原理
近場光學(xué)最初發(fā)展起來是為了解決光學(xué)成像的衍射極限導(dǎo)致的分辨率受限問題。19世紀(jì)末，Abbe和Rayleigh推導(dǎo)出衍射及現(xiàn)代原理并給出兩個電源能夠被清晰分辨的最小距離，隨后德國科學(xué)家阿貝根據(jù)衍射理論推導(dǎo)出衍射分辨率極限，Rayleigh將其歸納為瑞利判據(jù)公式。隨后更多的成像和光學(xué)分辨率判據(jù)被從不同的角度定義，但是其表達(dá)形式基本相似，僅僅存在一個系數(shù)差別。
各種光學(xué)分辨率判據(jù)，[8]
有趣的是以瑞利判據(jù)為代表的光學(xué)分辨率判據(jù)還可以從量子的不確定性原理出發(fā)推導(dǎo)出：
根據(jù)經(jīng)典光學(xué)分辨率判據(jù)（如瑞利判據(jù)），遠(yuǎn)場顯微系統(tǒng)的分辨率提升主要依賴于兩個核心參數(shù)的優(yōu)化：，一是縮短工作波長（λ），比如通過采用短波長光源（如藍(lán)光 λ≈450?nm、深紫外 λ<200?nm 乃至電子束 λ～0.1?A??），可顯著降低衍射極限。例如，紫外光刻系統(tǒng)（DUV/EUV）利用 13.5?nm13.5nm 極紫外光實(shí)現(xiàn)芯片的納米級圖案化，而透射電子顯微鏡（TEM）通過電子束的德布羅意波長突破至原子尺度分辨率（<0.1?nm<0.1nm）。二是提高數(shù)值孔徑（NA），通過物鏡與樣品間填充高折射率介質(zhì)（如油浸物鏡 n=1.51、水浸物鏡 n=1.33），可將 NA 提升至 1.4?1.61。當(dāng)然還有一些實(shí)現(xiàn)高分辨的成像技術(shù)，包括STED,SIM,共聚焦，多光子成像等等。
然而人們嘗試發(fā)現(xiàn)，除了直接選擇更短波長光源（深紫外，乃至電子束），其他方案在遠(yuǎn)場光學(xué)分辨率的提升上作用相對有限且實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，此外還對成像場景帶來了一些局限性，比如紫外與電子束易損傷生物樣品，且需真空環(huán)境（如電子顯微鏡），限制活體觀測；傳統(tǒng)介質(zhì)的折射率上限與全反射角限制（θ≤90°）使得 NA>2.0 難以實(shí)現(xiàn)。因此人們漸漸將目光投向近場高分辨成像的實(shí)現(xiàn)。
近場實(shí)現(xiàn)高分辨率的條件可以從角譜理論推導(dǎo)，從以下推導(dǎo)中可以看到在遠(yuǎn)場成像時，高頻信息無法傳播，從這個意義上講，遠(yuǎn)場光學(xué)成像系統(tǒng)可以理解為“低通空間濾波器”。而近場包含高分辨的信息，不再受到瑞利判據(jù)的限制，但是由于近場涉及到光和物質(zhì)的強(qiáng)相互作用，混雜了樣品信息、探針信息、相互作用信息，因此屬于“有擾動”探測。
根據(jù)角譜理論也可以看到，當(dāng)光束照在精細(xì)結(jié)構(gòu)上時，只有當(dāng)光柵周期小于波長時衍射波存在隱失波，而大于波長時是純的傳導(dǎo)波，這也是為什么可以通過超結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比如superlens實(shí)現(xiàn)超分辨成像。當(dāng)然全內(nèi)反射也會產(chǎn)生隱失場，但是其和精細(xì)結(jié)構(gòu)的高頻散射信號原理不同，其基于全反射條件發(fā)生時，但在低折射率介質(zhì)中產(chǎn)生的一個迅速衰減的電磁隱失場（Evanescent Field）。
（未完待續(xù)）
參考文獻(xiàn)
- https://en.wikipedia.org/wiki/Near_and_far_field.Bazylewski, P., S. Ezugwu, and G. Fanchini A Review of Three-Dimensional Scanning Near-Field Optical Microscopy (3D-SNOM) and Its Applications in Nanoscale Light Management. Applied Sciences, 2017. 7, ?DOI: 10.3390/app7100973.Zia, R., J.A. Schuller, and M.L. Brongersma, Near-field characterization of guided polariton propagation and cutoff in surface plasmon waveguides. Physical Review B, 2006. 74(16).Muller, D.J., N. Wu, and K. Palczewski, Vertebrate membrane proteins: structure, function, and insights from biophysical approaches. Pharmacol Rev, 2008. 60(1): p. 43-78.https://www.accesslaser.com/infrared-atomic-force-microscopy-scattering-scanning-near-field-optical-microscopy/.Tang, M., et al., Far‐Field Superresolution Imaging via Spatial Frequency Modulation. Laser & Photonics Reviews, 2020. 14(11).Jiang, W., et al., A Review of Microsphere Super-Resolution Imaging Techniques. Sensors (Basel), 2024. 24(8).https://myscope.training/LFM_Criteria_for_optical_resolution.
9.王佳 武曉宇 孫琳, 掃描近場光學(xué)顯微鏡與納米光學(xué)測量.
