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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。


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