光学与光子学丛书 ”十二五“国家重点图书出版规划项目 扫描近场光学显微镜与纳米光学测量PDF电子书下载

基础篇 3

第1章 近场光学发展史 3

1.1 近场光学和近场光学显微镜的发展简史 3

1.1.1 最初的动机——突破衍射极限 3

1.1.2 基本概念的提出 4

1.1.3 实验证明 4

1.1.4 超分辨成像的实现 5

1.1.5 表面等离激元和SERS 6

1.1.6 现代近场光学显微镜 6

1.1.7 PSTM与外差探测方法 8

1.1.8 真实图像与虚假图像 10

1.1.9 近场散射与场增强 10

1.1.10 近场光学与光学天线 11

1.2 近场光学理论研究 12

1.3 近场光学最近的发展 14

1.4 本章小结 15

参考文献 15

第2章 近场光学原理 23

2.1 近场光学原理发展概况 24

2.2 从“光学远场”到“光学近场” 25

2.3 不确定性原理的解释 27

2.4 角谱（平面波展开）方法的解释 29

2.5 表面（纳米）结构与隐失场 30

2.5.1 全反射与隐失场 30

2.5.2 精细结构与隐失场 32

2.6 近场光学探测原理 34

2.6.1 近场光学探测机理 34

2.6.2 Courjon的模型 34

2.6.3 近场探测的核心问题 36

2.7 近场光学中的互易定理 37

2.7.1 互易定理的定义 38

2.7.2 互易定理在近场光学中的应用形式 39

2.7.3 互易定理在近场光学中的研究进展 41

2.8 等离激元光学基本原理 42

2.8.1 金属中自由电子的谐振模型 42

2.8.2 SPP定义 43

2.8.3 SPP的激发条件与方式 43

2.8.4 SPP的传播和损耗 46

2.8.5局域表面等离激元 47

2.9 本章小结 49

参考文献 50

第3章 光学天线 52

3.1 引言 52

3.2 光学天线基础 52

3.2.1 光学天线及相关物理量的定义 53

3.2.2 光学天线的常见形式 55

3.2.3 光学天线的研究内容 58

3.3 光学天线的研究模型及方法 59

3.3.1 经验式F-P共振模型 59

3.3.2 纳米等效电路模型 62

3.3.3 电流积分模型 66

3.4 光学天线的应用 68

3.4.1 光学天线在光发射中的应用 69

3.4.2 光学天线在纳米成像中的应用 71

3.4.3 光学天线的共振调节应用 73

3.5 本章小结 75

参考文献 76

第4章 近场光学探针 79

4.1 近场光学探针是光学显微镜的核心器件 79

4.2 近场光学探针的原理 79

4.2.1 探针与光学分辨率 80

4.2.2 探针与成像质量 80

4.2.3 探针类型决定了间距控制方式和系统工作模式 81

4.3 近场光学探针的种类 81

4.3.1 介质探针 81

4.3.2 孔径型探针 83

4.3.3 散射型近场光学探针 91

4.3.4 等离激元探针 97

4.3.5 单分子探针和微粒功能探针 103

4.3.6 其他功能探针 104

4.4 探针与基片间的相互作用 105

4.5 近场光学探针的应用 105

4.6 本章小结 106

参考文献 106

第5章 近场光学显微镜系统 110

5.1 近场光学显微镜测量系统 110

5.2 近场光学显微镜的基本结构 110

5.2.1 光源和聚焦耦合系统 111

5.2.2 光纤孔径探针或无孔径探针 112

5.2.3 探针／样品间距测控与驱动系统 112

5.2.4 样品扫描台和探针扫描头 112

5.2.5 集光系统 113

5.2.6 光电探测与视频监测系统 113

5.2.7 数据图像处理系统 114

5.3 近场光学显微镜的工作模式和扫描模式 114

5.3.1 工作模式 114

5.3.2 扫描模式 116

5.3.3 几种对比度机制 118

5.3.4 光学分辨率极限 119

5.4 扫描管与扫描台 120

5.4.1 扫描管 120

5.4.2 扫描台 122

5.5 间距测控——剪切力模式与轻敲模式 123

5.5.1 剪切力模式 123

5.5.2 法向力轻敲模式 126

5.6 多参数照明与矢量光束照明 128

5.6.1 多参数照明 128

5.6.2 矢量光束及特性 130

5.6.3 矢量光束的产生 132

5.6.4 矢量光束聚焦 136

5.6.5 纵向光场照明激发 139

5.7 近场光学显微镜的分类 140

5.7.1 扫描近场光学显微镜 141

5.7.2 光子扫描隧道显微镜 141

5.7.3 孔径型近场显微镜 142

5.7.4 散射型近场显微镜 142

5.7.5 其他类型近场显微镜 143

5.8 本章小结 143

参考文献 144

第6章 孔径型近场光学显微镜 147

6.1 孔径型SNOM的原理 148

6.1.1 裸光纤探针的矢量响应特性 148

6.1.2 镀铝膜孔径探针的矢量响应特性 149

6.2 孔径型近场光学显微镜仪器系统 151

6.3 间距测控模式 152

6.4 照明模式与集光模式 152

6.5 孔径型近场光学显微镜的分辨率 153

6.6 孔径探针使用中的问题 154

6.7 孔径型近场光学显微镜系统 155

6.7.1 近场光学显微镜的位移控制 155

6.7.2 近场光学显微镜与近场光学成像 156

6.8 孔径型近场光学显微镜的应用 159

6.8.1 超分辨成像 159

6.8.2 近场光谱学 159

6.8.3 近场光刻 160

6.8.4 纳米光场多参数测量 160

6.8.5 其他应用 161

6.9 本章小结 161

参考文献 161

第7章 散射型近场光学显微镜 164

7.1 散射型SNOM的原理 164

7.1.1 散射型SNOM系统及工作原理 165

7.1.2 散射型探针模型及矢量响应特性 166

7.2 散射型SNOM仪器系统 170

7.2.1 距离控制方法 170

7.2.2 照明激发与散射信号收集 171

7.2.3 信号处理与图像重构 172

7.3 探针测量中的增强效应 174

7.3.1 局域表面等离激元共振效应 174

7.3.2 避雷针效应 176

7.3.3 镜像偶极子效应——间隙模式与微腔模式 177

7.3.4 电场梯度增强效应 179

7.4 散射型SNOM的对比度和分辨率 182

7.5 散射背景噪声的抑制 182

7.6 散射型探针使用中的问题 184

7.7 散射型SNOM的应用 185

7.7.1 近场光谱测量 185

7.7.2 近场光场多参数测量 185

7.7.3 新颖低维材料表征 186

7.8 本章小结 188

参考文献 188

测量篇 195

第8章 纳米光场参数测量 195

8.1 纳米光场多参数测量的概念 195

8.2 测量原理与方法 196

8.2.1 光强测量 197

8.2.2 相位振幅测量 197

8.2.3 偏振矢量测量 197

8.2.4 光频磁场测量 198

8.2.5 光谱测量 199

8.3 测量系统与功能探针 199

8.3.1 测量系统 199

8.3.2 功能探针 200

8.4 本章小结 201

参考文献 202

第9章 强度测量与超分辨光学成像 203

9.1 光场（电场）强度测量 203

9.2 超衍射分辨光学成像 204

9.3 纳米光场强度分布测量 208

9.4 聚焦径向偏振光场测量 210

9.5 大范围SNOM成像 212

9.6 提高SNOM成像分辨率 214

9.7 近场光学图像的解释 216

9.8 本章小结 217

参考文献 218

第10章 振幅／相位测量 219

10.1 纳米光场振幅／相位测量发展 220

10.2 近场探测和探针外差干涉技术 221

10.2.1 光学探针外差干涉方法 221

10.3 几种典型的光场相位测量方法 223

10.3.1 孔径型探针外差干涉系统 223

10.3.2 锁相放大器的相位解调原理 224

10.3.3 散射型探针外差干涉系统 225

10.3.4 散射型伪外差干涉系统 228

10.3.5 散射型相移干涉测量系统 229

10.3.6 利用CCD相移干涉成像 230

10.4 一些改进型的相位测量方法 231

10.4.1 空间域和时域追踪相位测量系统 231

10.4.2 实时相位漂移误差补偿测量方法 233

10.5 本章小结 234

参考文献 234

第11章 矢量场测量 237

11.1 引言 237

11.2 矢量场测量基础 238

11.2.1 纳米光场矢量特点及偏振描述 238

11.2.2 矢量场测量发展及原理 244

11.3 单一电场分量测量 247

11.3.1 纵向分量测量 248

11.3.2 面内分量测量 251

11.4 面内电场的偏振测量 251

11.4.1 探针外差干涉测量 251

11.4.2 探针多外差干涉测量 252

11.5 纵向及面内电场的偏振测量 255

11.5.1 伪外差干涉椭偏术 255

11.5.2 旋转偏振片椭偏术 257

11.5.3 散射型功能探针制备 261

11.6 全矢量场偏振测量 262

11.6.1 组合系统的直接测量 262

11.6.2 数值计算的间接测量 263

11.6.3 荧光分子探针测量 264

11.7 本章小结 266

参考文献 267

第12章 光频磁场测量 270

12.1 光频磁场的间接测量 271

12.1.1 基于矢量巴比涅原理的测量方法 271

12.1.2 基于法拉第电磁定律的测量方法 273

12.2 光频磁场的直接测量 276

12.2.1 开口环功能探针测量方法 276

12.2.2 Bethe小孔功能探针测量方法 279

12.2.3 中空金字塔功能探针测量方法 282

12.2.4 孔径探针微扰理论测量方法 284

12.3 基于互易定理的电磁场测量方法 289

12.4 本章小结 292

参考文献 292

第13章 近场光谱测量 296

13.1 近场光谱术 297

13.1.1 近场光谱术的发展 297

13.1.2 近场光谱的特点 300

13.2 近场光谱测量系统基本结构 302

13.2.1 基于孔径探针的近场光谱系统 302

13.2.2 基于散射探针的近场光谱系统 302

13.2.3 探针增强光谱术 302

13.2.4 近场拉曼光谱TERS系统测量 304

13.3 光谱成像 304

13.3.1 近场光谱成像 305

13.3.2 光谱识别与形貌对应分析 309

13.4 近场光谱测量应用 310

13.4.1 吸收谱 310

13.4.2 光致发光荧光激发谱 310

13.4.3 拉曼光谱 311

13.4.4 光致发光光谱 312

13.4.5 瞬态（时间分辨）光谱 313

13.4.6 单分子光谱 315

13.5 近场空间超分辨光谱 318

13.6 本章小结 319

参考文献 319

应用篇 325

第14章 探针增强光谱术 325

14.1 传统光谱术与“探针光谱术” 325

14.2 拉曼散射与拉曼光谱术 326

14.3 近场光谱与“探针光谱”概念 330

14.4 探针增强拉曼光谱术的发展 331

14.5 TERS探测原理 332

14.5.1 TERS测量系统的基本结构 335

14.5.2 照明激发与光束优化 337

14.5.3 受激照明TERS方法 346

14.5.4 间距测控与扫描模式 348

14.5.5 Mapping测量 349

14.6 TERS的其他关键技术 350

14.6.1 TERS探针 350

14.6.2 测量系统的稳定性 353

14.7 TERS测量系统的评价 353

14.7.1 空间分辨率 354

14.7.2 对比度和增强因子 355

14.7.3 光谱像与光谱识别 357

14.7.4 纳米局域光谱数据与纳米形貌数据的对应分析 359

14.7.5 TERS探测的限制因素 359

14.8 TERS的应用 363

14.8.1 化学与单分子检测 364

14.8.2 纳米材料检测 366

14.8.3 生物样品探测 373

14.8.4 纳米几何尺寸和应力测量 373

14.8.5 探针增强CARS光谱测量 378

14.8.6 高真空超低温和液体环境下的测量 383

14.9 本章小结 383

参考文献 384

第15章 纳米光源测量 393

15.1 有源纳米光源——小孔激光器 393

15.2 等离激元纳米光源 397

15.3 本章小结 402

参考文献 402

第16章 等离激元光学器件测量 404

16.1 超透镜成像测量 405

16.2 SPP波导器件测量 407

16.2.1一维SPP波导 407

16.2.2锥形透射线聚焦波导 410

16.2.3圆柱台链SPP结构 411

16.3 聚焦原理与聚焦器件测量 413

16.3.1 一维SPP结构聚焦与束流 413

16.3.2 SPP牛眼结构 416

16.3.3 孔阵列SPP聚焦器件 418

16.3.4 半弧、多重弧结构SPP聚焦器件 419

16.3.5 对称半圆弧结构、对称性破缺结构 420

16.3.6 中心对称环分布孔径阵列结构 421

16.3.7 径向偏振光照明聚焦 422

16.4 SPP分光与反射器件测量 423

16.5 纳米光学天线测量 426

16.6 阿基米德螺线型光学天线 431

16.7 超构材料和超构表面 439

16.8 石墨烯单层增强隐失场测量 443

16.9 纳米棱镜测量 445

16.10 SPP回路测量 446

16.11 本章小结 447

参考文献 448

第17章 纳米光学矢量场测量 453

17.1 相位测量在微纳集成光学中的应用 454

17.1.1 隐失场测量 454

17.1.2 波导模式与传播特性研究 456

17.1.3 波导泄漏与光场传输 457

17.2 相位测量在等离激元光学器件上的应用 458

17.2.1 SPP面内聚焦器件 459

17.2.2 SPP干涉 460

17.3 相位测量在局域表面等离激元器件上的应用 462

17.3.1 Fano共振传感器 462

17.3.2 镍纳米光学天线 464

17.4 相位测量在空间光场传播特性中的应用 467

17.4.1 超构材料与涡旋光场 467

17.4.2 空间光场传播特性判断 470

17.5 相位奇异点与光和物质的相互作用 471

17.6 矢量场测量在光子晶体器件上的应用 473

17.6.1 光子晶体微腔的偏振分布 474

17.6.2 光子晶体波导的偏振奇异点 476

17.7 矢量场测量在SPP器件上的应用 478

17.7.1 纳米狭缝衍射场偏振分布 478

17.7.2 纳米线阵列器件耦合场分布 480

17.8 矢量场测量在光学天线器件上的应用 482

17.8.1 纳米光源近场偏振分布 483

17.8.2 Bow-tie光学天线偏振分布 485

17.8.3 全电介质光学天线偏振分布 487

17.9 矢量场测量在光场表征中的其他应用 489

17.9.1 全内反射隐失波驻波场测量 490

17.9.2 聚焦径向偏振光场测量 491

17.9.3 近场圆二色性测量 493

17.10 光频磁场测量的应用 495

17.10.1 光子晶体微腔模式测量 496

17.10.2 光学天线器件共振模式测量 496

17.10.3 纳米颗粒共振特性测量 497

17.10.4 聚焦径向偏振光的磁场分布测量 500

17.11 本章小结 500

参考文献 502

结束语 507

主要名词术语索引 509