浅谈近场光学成像技术（一）

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近场光学

根据探测物体与被探测物体之间的距离 L 与光波长 λ 的关系，光波的传播特性可分为以下三类：光学近场、光学束缚场、光学远场。

• 光学远场（L≫λ）：光波在两者间的传播遵循经典衍射定律，相互作用可忽略。此时，电磁场主要表现为辐射场，可被传统光学系统探测，对应远场成像的物理基础。

•     光学束缚场（L≪λ）：物体间的电磁场高度局域化，形成强耦合的束缚态，需用量子光学理论描述。此状态下，系统可视为单一量子体系，光子与物质相互作用呈现非经典效应；

• 光学近场（0.01λ≤L<λ）：物体间存在不可忽略的相互作用，光传播偏离传统衍射定律，隐失场主导，场分布依赖物体表面结构。

近场光学成像技术

近场光学成像技术（Near-field Optical Imaging）是研究物体表面一个波长（通常为纳米至微米尺度）范围内光学现象的新型交叉学科。近场光学这一命名是相对传统光学、远场光学而言的，旨突破传统光学显微镜的衍射极限（约200-300 nm），实现纳米级分辨率（可达10 nm以下）的光学成像与光谱分析。近场光学通过研究隐失场和局域光场，为揭示光与物质在纳米尺度上的相互作用机理提供了重要手段。这一领域的研究不仅推动了光学显微镜技术的革新，还为纳米光子学和纳米技术的发展提供了理论和技术支持。

近场光学的物理机制基于隐失场（Evanescent Field）的转换与探测。当光波与物体表面精细结构相互作用时，会激发携带亚波长信息的高空间频率隐失场，这些场在近场区域（距离表面小于波长）急剧衰减。通过纳米探针将隐失场转换为可传播的辐射场，并配合精密扫描系统，即可重构出超分辨图像。这一过程涉及四个关键转换步骤：入射波→隐失场→探针耦合→远场信号采集。

近场光学成像的概念[2]

近场光学常见的成像技术包括基于扫描探针的近场光学显微镜和基于超透镜的光学显微技术。扫描近场光学显微镜是一个采样技术，样品信息被逐点扫描，记录并成像，其基于亚波长的光学探针，将局域能量转变为辐射能量或相反，这一原理类似光学天线。扫描近场光学显微镜可以细分为：

光子扫描隧道显微镜（PSTM）：基于全反射隐失场耦合，探测样品折射率分布。

孔径型近场光学显微镜（a-SNOM）：通过金属化光纤尖端（孔径<100nm）限制光场。

散射型近场光学显微镜（s-SNOM）：利用探针尖端散射增强近场信号，无需物理孔径，其尺寸比孔径型更小，可小至几个纳米。

超透镜光学显微技术包括基于superlens/hyperlens的超透镜原理和基于微球显微的原理，其本质都是将具有高频信息的近场倏逝波传播到远场范围。

1994年，法国科学家 D. Courjon 提出了经典近场光学模型，系统阐述了隐失场的产生、转换与探测机制，为理解近场光学原理奠定了理论基础。当入射光照射到具有亚波长精细结构的样品表面时，光与物质相互作用会同时产生传播场和隐失场，当探针进入近场区域时，由于探针和隐失场的相互作用，隐失场被二次散射产生传输场，同时探针附近会产生二次激发的隐失场。

由此可见近场光学显微技术的关键实现条件有三个：1）探针必须进入隐失场；2）隐失场必须转换为传播场；3）转换关系满足线性。

隐失场产生与探测原理，ref 9

近场的超光学衍射极限原理

近场光学最初发展起来是为了解决光学成像的衍射极限导致的分辨率受限问题。19世纪末，Abbe和Rayleigh推导出衍射及现代原理并给出两个电源能够被清晰分辨的最小距离，随后德国科学家阿贝根据衍射理论推导出衍射分辨率极限，Rayleigh将其归纳为瑞利判据公式。随后更多的成像和光学分辨率判据被从不同的角度定义，但是其表达形式基本相似，仅仅存在一个系数差别。

各种光学分辨率判据，[8]

有趣的是以瑞利判据为代表的光学分辨率判据还可以从量子的不确定性原理出发推导出：

根据经典光学分辨率判据（如瑞利判据），远场显微系统的分辨率提升主要依赖于两个核心参数的优化：，一是缩短工作波长（λ），比如通过采用短波长光源（如蓝光 λ≈450 nm、深紫外 λ<200 nm 乃至电子束 λ∼0.1 A˚˚），可显著降低衍射极限。例如，紫外光刻系统（DUV/EUV）利用 13.5 nm13.5nm 极紫外光实现芯片的纳米级图案化，而透射电子显微镜（TEM）通过电子束的德布罗意波长突破至原子尺度分辨率（<0.1 nm<0.1nm）。二是提高数值孔径（NA），通过物镜与样品间填充高折射率介质（如油浸物镜 n=1.51、水浸物镜 n=1.33），可将 NA 提升至 1.4−1.61。当然还有一些实现高分辨的成像技术，包括STED,SIM,共聚焦，多光子成像等等。

然而人们尝试发现，除了直接选择更短波长光源（深紫外，乃至电子束），其他方案在远场光学分辨率的提升上作用相对有限且实现较为复杂，此外还对成像场景带来了一些局限性，比如紫外与电子束易损伤生物样品，且需真空环境（如电子显微镜），限制活体观测；传统介质的折射率上限与全反射角限制（θ≤90∘）使得 NA>2.0 难以实现。因此人们渐渐将目光投向近场高分辨成像的实现。

近场实现高分辨率的条件可以从角谱理论推导，从以下推导中可以看到在远场成像时，高频信息无法传播，从这个意义上讲，远场光学成像系统可以理解为“低通空间滤波器”。而近场包含高分辨的信息，不再受到瑞利判据的限制，但是由于近场涉及到光和物质的强相互作用，混杂了样品信息、探针信息、相互作用信息，因此属于“有扰动”探测。

根据角谱理论也可以看到，当光束照在精细结构上时，只有当光栅周期小于波长时衍射波存在隐失波，而大于波长时是纯的传导波，这也是为什么可以通过超结构的设计比如superlens实现超分辨成像。当然全内反射也会产生隐失场，但是其和精细结构的高频散射信号原理不同，其基于全反射条件发生时，但在低折射率介质中产生的一个迅速衰减的电磁隐失场（Evanescent Field）。

（未完待续）

参考文献

https://en.wikipedia.org/wiki/Near_and_far_field.Bazylewski, P., S. Ezugwu, and G. Fanchini A Review of Three-Dimensional Scanning Near-Field Optical Microscopy (3D-SNOM) and Its Applications in Nanoscale Light Management. Applied Sciences, 2017. 7,  DOI: 10.3390/app7100973.Zia, R., J.A. Schuller, and M.L. Brongersma, Near-field characterization of guided polariton propagation and cutoff in surface plasmon waveguides. Physical Review B, 2006. 74(16).Muller, D.J., N. Wu, and K. Palczewski, Vertebrate membrane proteins: structure, function, and insights from biophysical approaches. Pharmacol Rev, 2008. 60(1): p. 43-78.https://www.accesslaser.com/infrared-atomic-force-microscopy-scattering-scanning-near-field-optical-microscopy/.Tang, M., et al., Far‐Field Superresolution Imaging via Spatial Frequency Modulation. Laser & Photonics Reviews, 2020. 14(11).Jiang, W., et al., A Review of Microsphere Super-Resolution Imaging Techniques. Sensors (Basel), 2024. 24(8).https://myscope.training/LFM_Criteria_for_optical_resolution.

9.王佳 武晓宇 孙琳, 扫描近场光学显微镜与纳米光学测量.