收藏本站
《大连理工大学》 2004年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

近场光学显微成像数值模拟研究

王晓秋  
【摘要】:近场光学显微镜是近二十年来发展起来的一种新型超高分辨率的光学显微镜。它利用细小的光学探针探测样品表面隐失波的超高频空间信息,超越经典衍射极限的限制,可对样品表面纳米尺度区域的各种光学信息进行扫描成像,在生命科学、化学及材料科学领域中都有着广泛而重要的应用。 本文围绕对介观尺度范围的电磁场分布及近场扫描成像过程进行数值模拟而展开,目的在于能从理论上对近场成像过程有清楚的认识,正确地解释实验图像,达到理论与实验结果可比较的效果,从而为新仪器的开发提供理论依据。 本论文的内容分为三个部分: 一、为解决近场光学理论计算这样一个复杂的难题,将FDTD方法引入近场光学及成像系统中。首次提出和发展了光子扫描隧道显微镜(PSTM)系统中全内反射条件下入射波的设置方法——三波法,解决了激励源的设置问题。研究并实现了完全匹配层(PML)吸收边界条件的应用。实现了FDTD方法在金属薄膜中的应用,给出了等离子体动力学方程与麦克斯韦差分公式。完善了散射场公式在光子扫描隧道显微镜系统中的应用。较好地解决了数值模拟真实近场光学系统成像问题。 二、深入研究光子扫描隧道显微系统的物理成像机制。将微扰近似理论和FDTD方法用于PSTM系统中。将微扰近似理论推广应用到多层结构系统中,结合消假像理论,模拟了PSTM系统周期性样品的成像,解决了样品图像偏移问题,进一步完善了微扰近似理论在PSTM系统中的应用。本文还利用FDTD方法,研究和讨论了p-极化波照射条件下样品的近场分布与样品尺寸、厚度和折射率之间的关系。首次模拟演示了光子隧道效应现象。分别模拟裸光纤尖和镀膜金属尖在真实实验条件下扫描成像过程,讨论了扫描工作模式对光学图像及分辨率的影响,取得了与国外文献和实验一致的结果,并应用经典电磁场像-偶极子模型定性地理解PSTM系统成像并进一步解释获得高分辨率图像的机理。 常规(单光束-非对称照明)光子扫描隧道显微镜(PSTM)对样品的平整度要求很苛刻,仅对折射率均匀、只有形貌起伏的样品或表面很平、只有折射率变化的样品能分别得到形貌和折射率图像,而对于既有形貌起伏又有折射率变化的样品得到的却是二者的混合图像,造成图像解释方面的困难。为了解决这个题,我们介绍了新一代AF/PSTM组合显微镜的原理及AF/PSTM弯光纤尖实现分离形貌和折射率图像的理论 依据,给出AF用STM双功能弯光纤尖共振恒振幅成像模式和AF/PSTM系统其框图,运 用FDTD方法数值模拟,证明了AF/P STM中处理样品折射率图像的公式是可信的,存 在一定的比例关系。数值模拟了玻璃基板上MgF:膜的折射率图像并得到与实验相符的 结果,此外,还给出其它样品的一次扫描获得分离的光学与形貌图像。 三、发射模式扫描近场光学显微镜(SNOM)能够实现超衍分辨的技术核心是用 亚波长尺度的光源,在SNOM光探针的设计中最具有挑战的任务是实现两个相互矛盾 的参数的设计:即在保证足够大的通光效率的同时尽可能地减小光斑尺寸。为了实现 更窄的光束斑点和更高的输出效率,我们设计一个由高折射率介质构成的、完全镀薄 贵金属膜的、垂直顶角的四面锥探针尖。由于高折射率芯和薄金属膜,光在芯中传播 并在金属尖端被转换为表面等离子激元,使输出通光效率加强并得到超小输出光斑。 最后,本文介绍了将垂直腔表面发射激光器(Vertical一cavity surface一Emitting Laser, vCsEL)直接与近场光探针尖祸合,即反射式扫描近场光学显微镜读写头阵列集成(The integrated Refleeted Seanning Near-field OPtieal MicroseoPy Reading/Writing Head, RSNOM一RWH)的概念设计。给出了实现几个关键技术的可能,如集成RSNOM一RWH 和它的工作原理,探针头的设计与数值模拟。讨论了实现等间距扫描和超高数据转换 速率的可能性。 本论文的研究结果表明: 1,利用电磁场理论和先进的数值计算方法—时域有限差分方法研究物体表面 近场区域光与物质相互作用现象,如光的散射、反射、衍射、吸收及光谱等,是非常 有用的。这对于近场光学基本物理现象的认识,对于正确理解近场光学显微图像所代 表的物理本质以及新型近场光学显微镜的开发和应用都具有十分重要的意义。 2.对近场光学显微成像理论和数值的深入研究,有助于有目的地设计和操作实 验,并将实验结果与理论进行核实比较。 3.新型光探针的设计为新型仪器的开发与设计打下了坚实的理论基础。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TH74

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 刘涛;王自成;刘濮鲲;;行波管的注-波互作用模拟与相位计算[J];南京理工大学学报;2011年04期
2 王超;袁国;王昭东;王国栋;;XGCF62钢板辊式淬火工艺开发与应用[J];东北大学学报(自然科学版);2011年07期
3 周刚;郑丙辉;胡德超;雷坤;乔飞;;正交曲线坐标系二维浅水方程ELADI有限差分方法[J];水科学进展;2011年04期
4 杨天春;廖建平;;二维弹性介质中瑞利波高阶有限差分模拟分析[J];工业建筑;2011年08期
5 房克照;邹志利;刘忠波;;沙坝海岸上裂流的数值模拟[J];水动力学研究与进展A辑;2011年04期
6 胡偶;赵宁;刘剑明;王东红;;基于有限体积格式的自适应笛卡尔网格虚拟单元方法及其应用[J];空气动力学学报;2011年04期
7 张超;杨春和;;有限差分强度折减法求解边坡稳定性[J];土木工程与管理学报;2011年02期
8 狄振华;罗振东;谢正辉;王爱文;;二维非饱和土壤水流方程基于POD方法的有限元格式[J];北京交通大学学报;2011年03期
9 ;[J];;年期
10 ;[J];;年期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张伟;陈晓非;;有限差分方法中存在复杂形状地表时的自由表面条件[A];中国地球物理.2003——中国地球物理学会第十九届年会论文集[C];2003年
2 胡能忠;吳錦銓;李俊杰;;多色LED近场光学模组之研究[A];海峡两岸第十八届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集[C];2011年
3 马汉东;袁宏生;;非定常喷流有限差分方法数值试验研究[A];第十届全国计算流体力学会议论文集[C];2000年
4 杨顶辉;牟永光;;二维TI介质中PSV波方程的高分辨率近似解析离散方法[A];1997年中国地球物理学会第十三届学术年会论文集[C];1997年
5 刘培国;刘克成;何建国;尹家贤;张光甫;毛均杰;;一种超宽带平面天线的时域分析[A];1999年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];1999年
6 杜守继;孙钧;职洪涛;翁慧俐;;软岩隧道锚杆支护机理的数值解析[A];锚固与注浆新技术——第二届全国岩石锚固与注浆学术会议论文集[C];2002年
7 詹珍贤;王克逸;甘巧强;宋国峰;;微小孔径激光器的通光特性研究[A];全国第十二次光纤通信暨第十三届集成光学学术会议论文集[C];2005年
8 张晓;宋晏蓉;李辉辉;张鹏;田金荣;张新平;;掺镱双包层光纤放大器的理论计算[A];2010年西部光子学学术会议摘要集[C];2010年
9 张斗国;王沛;鲁拥华;唐麟;袁仁民;饶瑞中;明海;;近场光学方法测量大气折射率起伏[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年
10 谢小碧;姚振兴;;二维不均匀介质中点源P-SV波响应的有限差分近似算法[A];中国科学院地球物理研究所论文摘要集(1988)[C];1989年
中国重要报纸全文数据库 前6条
1 《中国物理学报》 供稿;飞秒激光测量纳米尺度超快物理过程[N];大众科技报;2007年
2 本报记者 唐景莉 通讯员 姚骏;纳米时代的开拓者[N];中国教育报;2000年
3 韩仪;国外仪器仪表的发展趋势[N];中国机电日报;2001年
4 尚尚;法国如何建“光谷”[N];厂长经理日报;2000年
5 ;国外仪器仪表发展趋势漫谈(待续)[N];中国机电日报;2000年
6 王伟;纳米科技将给我们带来什么?[N];广东科技报;2001年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王晓秋;近场光学显微成像数值模拟研究[D];大连理工大学;2004年
2 区定容;纳米复合薄膜的近场光学性能[D];清华大学;2004年
3 黎洪;稠油油藏地质特征及注蒸汽开采的有限差分方法研究[D];中国矿业大学(北京);2002年
4 吴云良;扫描近场光学显微镜若干关键技术研究[D];中国科学技术大学;2010年
5 马哲;一维微纳结构的近场光学表征及应用[D];浙江大学;2010年
6 梅正阳;相机权益评价的数值算法研究[D];华中科技大学;2006年
7 庄平辉;分数阶动力方程的数值方法及其理论分析[D];厦门大学;2008年
8 胡晓毅;工业数学中关于热传导方程应用的若干反问题及其数值解法[D];复旦大学;2009年
9 杨爱利;偏微分方程数值计算及增量未知元方法研究[D];兰州大学;2008年
10 詹毅;复杂有耗色散地层中的FDTD方法以及在冲击探地雷达中的应用[D];西安电子科技大学;2000年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 仝海霞;我国可转换债券的定价理论与实证分析[D];首都经济贸易大学;2005年
2 黄师化;基于复合数值方法的水流动画模拟[D];安徽大学;2005年
3 刘怡旻;最优股指期货套利策略[D];厦门大学;2008年
4 苏家煜;二维多孔材料声学性能研究[D];北京交通大学;2008年
5 孙惠;一维依赖于时间的非线性Schr(?)dinger方程的有限差分方法[D];湘潭大学;2008年
6 刘勇;基于两因素的可转换债券定价模型模拟与实证研究[D];山东大学;2007年
7 柏琰;对称正则长波(SRLW)方程的有限差分方法[D];南京航空航天大学;2005年
8 巴塞;亚式期权定价的差分方法[D];东北大学;2005年
9 潘沙;预处理方法在全速度及化学非平衡流场数值模拟中的应用[D];国防科学技术大学;2004年
10 李剑辉;孔隙地层包围的井孔声场有限差分模拟及吸收边界[D];哈尔滨工业大学;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026