超衍射极限和近场光学显微镜人类视野的拓展：望远镜和显微镜几何光学几何光学 : : 物点物点 像点像点 物物( (物点集合物点集合) ) 像像( (像点集合像点集合) )动摇光学光学 : : 物点物点 像斑像斑 物物( (物点集合物点集合) ) 像像( (像斑集合像斑集合) )( ( 经透镜经透镜 ) )( ( 经透镜经透镜 ) )瑞利判据瑞利判据瑞利判据瑞利判据: : 两艾里斑中心的两艾里斑中心的两艾里斑中心的两艾里斑中心的夹夹角等于每个艾里斑本身的半角角等于每个艾里斑本身的半角角等于每个艾里斑本身的半角角等于每个艾里斑本身的半角宽宽度度度度物镜衍射极限*显微镜的分辨身手和物镜数值孔径显微镜的分辨身手和物镜数值孔径l0u0y0uy0y如何提高分辨身手？如何提高分辨身手？纳米分辨？米分辨？1.提高分辨率的方法之一是提高N.A.，可经过油浸和运用广角透镜获得较大的数值孔径。不过N.A.最大为1.5左右，此时y0m0/2,这是传统光学显微镜的极限分辨率半波长。2.选择短波长光照明是提高显微镜分辨身手的另一个途径。电子显微镜：电子显微镜：利用运动电子的具有动摇性制造电子显微镜，由利用运动电子的具有动摇性制造电子显微镜，由于电子的德布罗意波长极短，所以它有极高的空于电子的德布罗意波长极短，所以它有极高的空间分辨身手。间分辨身手。电子束发散角较小，u00.16rad；电子波长取决于电子的加速电压：加速电压电子波长分辨本领有效放大率104V1.210-2nm510-2nm2106105V3.710-3nm1.510-2nm61061986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft的恩斯特鲁斯卡ErnstRuska，1906-1988)，以表扬他在电光学领域做了根底性任务，并设计了第一架电子显微镜；另一半授予瑞士鲁希利康RschlikonIBM苏黎世研讨实验室的德国物理学家宾尼希Gerd Binnig，1947-和瑞士物理学家罗雷尔Heinrich Rohrer，1933-)以表扬他们设计出了扫描隧道显微镜。TECNAIF30TECNAIF30场发射透射电镜场发射透射电镜点分辨率：点分辨率：0.205nmpointat300kV0.205nmpointat300kV线分辨率：线分辨率：0.102nmlineat300kV0.102nmlineat300kV环境可控境可控扫描描电镜特点特点: :图像分辨率高像分辨率高对任何任何样品无品无需需处置，可直接置，可直接进展察看；展察看；进展展动态反响反响过程的直接察看程的直接察看 。电子显微镜下的病毒照片电子显微镜下的病毒照片用电子显微镜拍摄的苯分子照片GaAs纳米晶的透射电镜照片和电子衍射图, 透射电镜下察看到的主要是GaAs纳米晶的的聚会体,同时,在聚会体中也可一察看到5-20 nm的GaAs颗粒,图b是图a对应的电子衍射图,可以看出,只需面心立方构造GaAs纳米晶的多晶衍射特征环. 运用短波运用短波长或或电子束分辨率子束分辨率虽然提高，但然提高，但丧失了光学探失了光学探测无无损的的优势，并且无法直，并且无法直接接获得光得光谱学信息。价学信息。价钱昂昂贵，系，系统复复杂以上方案均受制于衍射以上方案均受制于衍射能否突破衍射极限？能否突破衍射极限？1928192819281928年年年年 ， Synge Synge Synge Synge 想象想象想象想象(1)在不透明的平板或薄膜上，制备出一个近乎10 nm的小孔，置于生物样品切片正下方，两者间隔近10nm (2)入射光经过平板小孔照明样品，透过样品的光被显微镜聚焦到光电池上。 (3)坚持入射光源强度不变，在两个横方向上，以10nm的步距挪动样品，使入射光点沿样品平面网格状扫描样品。开展历史：开展历史：19281928年，年，Synge Synge 提出想象提出想象 19721972年，年，Eric AshEric Ash等人在微波波段实现等人在微波波段实现19841984年，年，PohlPohl等研制胜利第一台扫描近场光学等研制胜利第一台扫描近场光学显微镜显微镜 19911991年，年，BetzigBetzig等人采用光纤探针并结合剪切等人采用光纤探针并结合剪切力测控探针力测控探针-样品间距，样品间距，SNOMSNOM真正适用。真正适用。技技技技术难术难点：点：点：点：扫扫描和描和描和描和间间隔的控制隔的控制隔的控制隔的控制 + + + + 高高高高质质量量量量纳纳米光孔制米光孔制米光孔制米光孔制备备 探针样品间距控制探针样品间距控制 方法：隧道电流 针尖样品间力的相互作用切变力探测传统AFM的光杠杆技术光学探光学探光学探光学探针针 探针孔径 SNOM分辨率 通光效率 SNOM信噪比 孔径越小，通光越低典型探针孔径：50100纳米488 nm热拉法：优点：制备快、方便，外表光滑。缺陷：锥角小(10),通光低,易碎。NSOM NSOM 探针制备探针制备 化学腐蚀：优点：制备快，锥角大20-30，通光效率高缺陷：HF有毒，外表性质难控镀膜：微制备：优点：可反复性好，可批量消费缺陷：制备工艺复杂 光学探针 探针样品间距z 的反响控制系统 驱动样品或针尖在x-y平面内运动的二维扫描系统 信号采集系统 图像处置系统 开展：近场光学显微镜种类和任务方式开展：近场光学显微镜种类和任务方式(a)有孔针尖SNOM(b)无孔针尖SNOM(c)光子隧穿显微镜 按探按探按探按探针针作用分作用分作用分作用分为为： 照明方式照明方式照明方式照明方式I modeI modeI modeI mode 搜集方式搜集方式搜集方式搜集方式C modeC modeC modeC mode 照明搜集方式照明搜集方式照明搜集方式照明搜集方式I-C modeI-C modeI-C modeI-C mode 按光信号按光信号按光信号按光信号获获取方式不同：取方式不同：取方式不同：取方式不同： 反射方式反射方式反射方式反射方式 透射方式透射方式透射方式透射方式 荧荧光方式光方式光方式光方式 任任任任务务方式：方式：方式：方式：近场光学显微镜运用近场光学显微镜运用超分辨成像 近场光谱 近场光存储 近场光学在生物领域中的运用 TERS近近场显微微镜缺陷：缺陷：探探针的的扰动逐点逐点扫描，信号采集描，信号采集时间长新的原理？新的原理？远场超分辨？超分辨？目前的前沿之一目前的前沿之一Optical stethoscopy: Image recording with resolution .1/20D. W. Pohl, W. Denk, and M. LanzAppl. Phys. Lett. 44 (7), 651， 1April 1984Subwave length-resolution optical image recording is demonstrated by moving an extremely narrow aperture along a test object equipped with fine-line structures. Details of 25-nm size can be recognized using 488-nm radiation. The result indicates a resolving power of at least /20 which is to be compared with the values of /2.3 obtainable in conventional optical microscopy.Near-FieldOptics:Microscopy,Spectroscopy,andNear-FieldOptics:Microscopy,Spectroscopy,andSurfaceModificationBeyondtheDiffractionLimitSurfaceModificationBeyondtheDiffractionLimitScience10July1992:Vol.257.no.5067,pp.189-195Eric Betzig and Jay K. Trautman附录：阿贝正弦条件光光具具组y0PQ RTSMNTSMNFQGPR-yu0un0n在傍轴条件下：