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高时间分辨近场扫描光学显微术的研究

张工力  
【摘要】: 高时间分辨近场光学显微术是近场扫描光学显微术(NSOM)与高时间分 辨光谱技术相结合的产物,它可以同时实现时间、空间上的高分辨率,是研究 纳米尺度光物理、光化学和光生物等动力学不可或缺的重要手段。本文为实现 这一结合,对相关技术进行了研究。 本文首先概述了近场扫描光学显微术,回顾了它的发展历史与现状。接着 研究了高透过率光纤探针的制作方法,我们以化学腐蚀法腐蚀普通石英光纤, 通过适当比例的缓冲氢氟酸腐蚀液来增大针尖的圆锥角,并且解决了针尖真空 镀膜等技术难题,研制出直径100nm、圆锥角30°、透过率5.5×10~(-4)的高透过 率光纤探针。本文还发展了制作弯曲光纤探针的新方法,制作出曲率半径300 μm,弯曲角度60°,长度500μm的弯曲光纤针尖。基于压电片的正、逆压电 效应,我们提出了针尖与样品之间切变力和弯曲针尖与样品之间法向力的非光 学探测方法,通过建立的数字反馈回路,将针尖与样品的间距控制在10nm以 内,特别是法向力控制距离达到了40nm,较切变力的控制距离提高了一倍多。 此外,本文还完成了NSOM的减振、探针与样品之间的自动粗逼近、三维扫描 压电陶瓷管(PZT)及其扫描控制电路、光电探测、数据采集和图像处理等,最后 建立了透射式NSOM装置。利用纤维棒管法,本文制作了纳米尺度的样品并标 定出NSOM装置的空间分辨率优于125nm。 在高时间分辨NSOM研究方面,本文先后建立了以皮秒红外条纹相机和光 电倍增管为测量手段的皮秒、纳秒时间分辨NSOM装置,通过采集样品响应光 脉冲的时间特性,单次扫描就可完成皮秒、纳秒变化过程中的近场光学图像。 本文还测量了波长1.06μm、脉宽50ps光脉冲经过光纤探针的时间展宽特性, 并对上转换材料CaS:Eu,Sm颗粒的红外激发荧光进行了近场探测和成像,获得 了纳秒时间为参数的近场光学图像。 此外,本文还采用时域有限差分(FDTD)法数值计算了不同孔径光纤探针 的出射场分布,分析了光纤探针的光强、光斑以及工作距离之间的关系,计算 结果对NSOM的实际应用具有一定的指导意义。


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