《1 开拓历程和PSTM进展》

1 开拓历程和PSTM进展

《1.1 开拓历程》

1.1 开拓历程

1928年辛格 (E.H.Synge) 和1956年奥·基夫 (A.O'keefe) 先后独自提出小孔径扫描近场光学显微镜 (A SNOM) 的设想。1972年阿什 (E.A.Ash) 等用3 cm微波演示上述设想, 获得λ/20分辨的二维微波图像。此原理性的成功和20世纪80年代初 (电子) 扫描隧道显微镜 (STM) 的发明极大地促进了可见光超分辨光学成像技术研究 [1]。自1984年至今15年中, 已研究成功多种类型超分辨近场光学成像技术。波尔 (D.W.Pohl) [2]率先研究成功光频小孔径扫描近场光学显微成像技术。贝齐格 (E.Betzig) 研制成功第一台A SNOM系统 [3]。威克拉玛辛 (Wickramasinghe) 、曾豪森 (E.Zenhausern) 等 [4]研究成功无孔径探测尖散射扫描近场光学显微镜 (S SNOM) 。90年代初, 雷迪克 (R.C.Reddik) [5]、维古罗克斯 (J.M.Vigoureux) 、考乔恩 (D.Courjon) [6]、大津元一 (M.Ohtsu) [7]和我国, 先后开发和研究了光子扫描隧道显微镜

《1.2 国内PSTM进展》

1.2 国内PSTM进展

1991年10月大连理工大学与北京电子显微镜实验室合作研究, 获得了我国第一幅PSTM超衍射极限分辨的透射光栅图像 (见图1) [8]。研制成功的我国第一台PSTM系统, 于1993年6月6日通过了专家鉴定小组的鉴定。该系统成功地获得了10多种样品超衍射极限分辨图像, 成像系统横向空间分辨优于10 nm, 纵向分辨优于1 nm [9,10]。

1993年发明专利 [11]可消除单光束PSTM中存在的假像。1998年又研制成功消假像的πPSTM系统。在倒置光学显微镜上设置π对称双光束全内反射照明的样品台, 用起伏较大的刻划复制光栅 (周期833 nm, 幅70 nm) 作样品, 检测了双光束π对称照明πPSTM系统消假像的效果。图2b、图2c分别为π方位和0方位单光束PSTM图像, 剖面线显示有明显假像 (竖线阴影为正假像, 点阴影为负假像) 。图2a为双光束πPSTM图像, 其剖面线 (0+π) 与样品 (sample) 剖面线相符 (便于观察人为错开示出) , 没有明显假像。这与通过微扰加角谱传递理论进行的数值模拟研究结果相符消假像方法显示了明显的效果 [12]

《图1》图1 全息光栅PSTM图像

图1 全息光栅PSTM图像

Fig.1 PSTM image of holography diffraction grating 1 kpl/mm (7μm×7μm)

《图2》图2 PSTM消假像的实验结果 (左为PSTM图像, 右为剖面线比较)

图2 PSTM消假像的实验结果 (左为PSTM图像, 右为剖面线比较)

Fig.2 The resoults of eliminating false image in PSTM

1998年, 用树脂薄膜样品的陡峭边沿成像, 在PSTM的台阶展宽图像中测定线扩展函数的半高宽, 首次达到2.8 nm, 见图3 [13]。

《2 实现光学超分辨的关键》

2 实现光学超分辨的关键

《2.1 两个最关键条件》

2.1 两个最关键条件

超分辨近场光学成像技术基本上可分为三类, 其中又有透射式 (T) 和反射式 (R) 之分。即A SNOM (T) , A SNOM (R) , S SNOM (T) , S SNOM (R) 和PSTM (仅T式) 。众多类型的超分辨近场光学成像技术都能获得超分辨图像, 其中最关键的条件有二:样品表面必须存在隐失波场 (evanescent wave field) 和采用超衍射极限尺度的探测尖。因为只有隐失场形式的光子才能携带样品表面超分辨信息。近场内传输光形式的光子仍受衍射极限公式制约, 不能携带超分辨信息 [14,15,16]。

《图3》图3 用台阶PSTM扩展图像处理线扩展函数

图3 用台阶PSTM扩展图像处理线扩展函数

Fig.3 Processing LSF with step spread image ofπPSTM

《2.2 产生隐失场方法和探测隐失场关键》

2.2 产生隐失场方法和探测隐失场关键

在透射样品表面产生隐失场的最有效方法是采用全内反射照明 (入射角大于临界角) 。这时在样品上表面产生的隐失光场强I (Z) 携带样品折射率n1、入射角θ1 (与形貌有关) 和尖至样品间距Z信息, 并与光偏振态有关。其近似的表达式为

 

式中:K (n1, θ1) 为常量, 与n1、θ1和光的偏振态有关。I (Z) 与Z的关系呈指数衰减。

在不透光的反射样品表面或透射样品在照明光束入射角小于临界角的条件下, 样品表层的散射也能在近场产生隐失光场。因为在样品表层散射点发射的散射光存在于4π立体角内, 其中一部分沿样品表面发射的 (发射角π/2) 和发射角为虚数的散射光 (其振幅垂直于样品表面) 均可在样品表面产生隐失场。产生隐失场的光效率与样品表层形貌 (细结构) 、介电常数 (金属为复数) 、反射率、散射率有关, 与入射角、偏振态也有关。因此, 它能携带超分辨的这些有关参量。靠这种样品表层散射产生的隐失场纯度很低, 即在样品近场同时存在、比隐失场强得多的传输光场。一般隐失场信号被淹没在传输光场信号中。幸好, 隐失光场强I (Z) 与Z有指数衰减关系, 而在近场传输光的场强与Z却变化很小。因此, 在非全内反射照明条件下的各种超分辨近场成像类型中均应设置探测尖的纵向共振抖动 (dither) 调制, 将混合光场中隐失光场信号通过锁相电路检测, 排除近似直流成分近场传输光强背景干扰。这是非PSTM型所有超分辨近场光学成像技术获得超分辨图像的另一个关键。凡采用这项技术的超分辨近场光学成像实验演示成功的研究者, 均已取得纳米分辨和好对比度的图像 [4], 而未采用这项技术者 (包括剪切力控制的A SNOM商品) 均难获得对比度较好的超分辨图像。文献[17]结果说明了这一点, 抖动探测尖在入射角为零的透射玻璃粗糙表面已测到被淹没在传输光场中的隐失场 (图4a) , 尖不抖动时, 在近场测到了隐失光与传输光的混合场 (图4b) , 其隐失光场被淹没在传输光场中 (前者约比后者小约二个数量级) 。透射样品在PSTM中, 由于隐失光场的纯度很高 (一般超过90%) , 不采用探测尖纵向抖动技术也能获得好的超分辨图像。

《3 各种扫描成像模式图像的表达式》

3 各种扫描成像模式图像的表达式

探测尖至样品间距在扫描成像过程中需要精确地依据扫描成像模式控制。成像模式基本有三种:隐失场信息等强度扫描成像模式 (CI) , 探测尖等高度扫描成像模式 (CH) 和尖至样品等间距扫描成像模式 (CZ) 。此外还有一种尖抖动轻敲样品表面的轻敲扫描成像模式 (Tapping Mode) 。

在样品参数中, 除厚度Z0 (x, y) 、形貌图像ΔZ0 (x, y) 外, 光学参量有透过率t (x, y) 、折射率n1 (x, y) 和反射率r (x, y) 三项。此外, 还有照明光的入射角θ1和尖至样品间距Z, 初始照明光束强度I0也是近场隐失光场强I的参量。其中尖高H=Z+Z0。下面场强分别按纯透射I′t和纯反射I′r进行分析。

《图4》图4 样品表面近场散射探测值与Z关系

图4 样品表面近场散射探测值与Z关系

Fig.4 The detected scatter intensity in near-fied on a glass rough versus Z [17]

 

ε为介电常数, Ir表示I′r/I0;

 

在不对称 (相对于探测尖轴线) 单光束照明 (或接收) 条件下, 设样品表面倾斜 (入射面内) 导致入射角θ1的变化值为Δθr, 则θ1ItΔθ1和θ1IrΔθ1将成为假像信息 [11,18]。如果设置π对称双光束照明样品, 同一像元+Δθ1 (x, y) 与-Δθ1 (x, y) 项贡献将可相消 [1,11,19]因而式对透射样品和反射样品分别可表示如下:

 

上述两式可分别表达为以下三种扫描模式。

1) 等强度比或等强度扫描模式 (CI) , 即在ΔIt=0或ΔIr=0条件下:

 

等强度比; (8)

 

2) 等高度扫描模式 (CH) , 即在ΔH=0, ΔZ=-ΔZ0条件下:

 

在样品透过率变化可以忽略、Δt (x, y) ≈0条件下, 上式为:

 

3) 等间距扫描模式 (CZ) , 即在Z=0和Z=2 A条件下:

 

等振幅A, 轻敲模式;

 

上述各项偏导项不是常量, 在一定条件下均属单调函数。

各种扫描成像模式比较:由式 (7) 至式 (11) 可知, 等强度扫描模式和等高度扫描模式的图像均是样品光学参数和形貌的混合图像, 除非采用特殊办法将他们分解 (如PSTM采用文献[11][18]图像分解方法, 可以将样品折射率图像与形貌图像分解开) , 否则图像解释将很困难。式 (12) 、 (13) 和式显示等间距扫描模式是获得样品超分辨纯光学 (n1, r, t) 图像的较好方法 [19]。但由于偏导项不是常量 (在一定条件下是单调函数) , 图像反映光学参量是非线性的。作者专利:AFM/PSTM图像分解方法 [19], 可获得近似线性的样品折射率 (n1) 图像。

《4 产业开发情况和两个关键技术问题》

4 产业开发情况和两个关键技术问题

超分辨光学显微镜产业的前景是无用置疑的, 它正是21世纪分子生物学、信息科学、新材料科学等重点学科及其产业发展中不可缺少的高新技术之一。迄今为止, 超分辨光学显微镜的产业发展, 曾经有过二次大投入。第一次, 1991年5月美国专利局对第一代PSTM发明专利公布后, 法国斯帕拉 (Spiral) 公司以500万美元巨额费用获得独家开发PSTM产权, 1993年该公司在完成样机研制并开始小批量生产后, 发现专利样机存在因样品表面起伏而引入假像, 得不到生物、医学、教学等方面市场的支持, 使该公司开发PSTM产业计划失利而破产。第二次产业开发已初步成功, 美国一家公司于1995年在世界市场首先推出A SNOM商品, 每台售价20万美元。在世界市场上曾有2～3年兴旺发展, 并且相继还有数厂家推出A SNOM商品, 年产值估计逾千万美元。但是, 这种透射式A SNOM (T) 成像对比度与分辨率均不及S SNOM和PSTM。近期, 发现A SNOM (T) 在原理上还存在一些缺点, 对生物医学等透射样品不甚适用, 市场扩容受到重大影响。S SNOM在国际市场上当前尚无商品。

作者的专利产品 (第二代PSTM) 更适用于生物样品, 性能比A SNOM约好一个数量级。预计比A SNOM有更大的市场。世界市场估计, 在21世纪初, 将达到每年亿美元产值。PSTM超分辨光学显微镜产业开发与发展中存在的二个关键技术问题 (消除假像;分离样品的光学图像与形貌图像) 在作者的发明专利中已经解决 [11,19]。它为发展我国这项高新技术产业已创造了重要的技术条件