Herkömmliches optisches Mikroskop und optisches Nahfeldmikroskop
Das optische Nahfeldmikroskop ist eine Revolution über herkömmliche optische Mikroskope. Es wird keine optischen Linsen für die Bildgebung verwendet, sondern die Sondenspitze über der Probenoberfläche scannen, um Informationen über die Probenoberfläche zu erhalten. Analysierte die physikalische Essenz von Bildgebungsprinzipien zwischen herkömmlichen optischen Mikroskopen und optischen Nahfeldmikroskopen sowie den Ähnlichkeiten und Unterschieden in den Strukturen der beiden Mikroskopsysteme. Führte die Herstellungsmethode von Glasfasersonden ein. Der Fokus lag auf den Prinzipien der Nahfelderkennung, optischen Tunneleffekte und den Eigenschaften von nicht strahlenden Feldern.
Traditionelle optische Mikroskope sind die ältesten Mitglieder der Mikroskopfamilie mit einer Geschichte von mehreren hundert Jahren. Früher war es das einzige Mittel, um kleine Strukturen zu beobachten. Herkömmliche optische Mikroskope verwenden hauptsächlich optische Objektive, um Objekte zu vergrößern oder zu Bildobjekten. Im Allgemeinen kann ein einzelnes Objektiv ein Objekt mehrere Zeiten vergrößern, und die Verwendung einer Kombination von Linsen kann es fast bis zu tausendmal vergrößern. Der Beugungseffekt von Licht begrenzt die Möglichkeit, die Auflösung optischer Mikroskope weiter zu verbessern. Dies ist die Rayleigh -Auflösungsgrenze.
Überblick über herkömmliche optische Mikroskope
Herkömmliche optische Mikroskope bestehen aus optischen Linsen. Durch die Verwendung des Brechungsindex des Materials und der Krümmung der Linse wird das beobachtete Objekt vergrößert, um seine detaillierten Informationen zu erhalten. Die Vergrößerung eines optischen Mikroskops kann jedoch nicht willkürlich erhöht werden, da es durch die optische Beugungsgrenze begrenzt ist.
Wenn R der Abstand zwischen zwei Punkten ist, ist λ die Wellenlänge des Strahls, N ist der Brechungsindex des Mediums und θ ist die halbe Winkelöffnung der Linse, die den Strahl auf den Detektor sammelt und fokussiert. Es gibt den Abstand an, in dem zwei Punkte genau unterschieden werden können, was durch die Parameter des Bildgebungssystems bestimmt wird. Die obige Ungleichung zeigt an, dass es nur drei Möglichkeiten gibt, um die Auflösung zu verbessern (dh die Entfernung R): (1) kürzere Wellenlängen wählen (wenn UV-elektromagnetische Strahlung, Röntgenstrahlen oder Elektronenstrahlen ausgewählt werden, sind sie effektiver). (2) Um N zu verbessern, arbeiten Sie mit Materialien mit einem hohen Brechungsindex. Dies ist das Prinzip der Immersionsmikroskopie, das von Amici in der Mitte des Jahrhunderts erfunden wurde. (3) Erhöhen Sie den Aperturwinkel des Mikroskops. Elektronenmikroskope verwenden Elektronenstrahlen anstelle von Lichtstrahlen, was die Auflösung erheblich verbessert. Es ist zu beachten, dass das Rayleigh -Kriterium auf der Annahme von sich ausbreitenden Wellen beruht. Wenn nicht strahlende Felder festgestellt werden können, wird erwartet, dass das Rayleigh -Kriterium vermieden wird und die Grenzen der Beugungsbarrieren vollständig durchbricht.
Prinzip des optischen Nahfeldmikroskops
Wir können den Bildgebungsprozess wie folgt verstehen: Wenn ein von einer Lichtquelle emittierter Photon oder Elektron auf ein Zielobjekt projiziert wird, wird es von einem Detektor (wie den Augen oder Kamera des Beobachters) reflektiert und erfasst oder empfangen. Aufgrund der Tatsache, dass die Flugbahn und die Anzahl der reflektierten Partikel mit den Eigenschaften des Objekts zusammenhängen, tragen Partikelstrahlen Informationen über die Eigenschaften des Objekts. Wir nennen die Projektion auf einem Ziel ein "Bild". Physikalisch sind Objekte und Bilder äußerst unterschiedlich: Objekte sind im Allgemeinen dreidimensional; Und es ist normalerweise eine zweidimensionale Projektion von physikalischen Größen, die mit der Struktur des Objekts zusammenhängen, da das Aufzeichnungsmedium zweidimensional ist. Diese physikalische Menge ist normalerweise Lichtintensität, da Detektoren nur für Lichtintensität empfindlich sind. Wenn wir das Objekt selbst durch ein Lichtfeld im Zusammenhang mit dem Objekt ersetzen, können wir die Beziehung zwischen dem Objektfeld und dem Bildfeld untersuchen, dh der Beziehung zwischen der Intensität des Objektfelds und seiner Intensität in der Bildebene. Die erste Frage, die beantwortet werden muss, lautet jedoch: Wie ist die Beziehung zwischen der Struktur eines Objekts und seinem Lichtfeld? Grundsätzlich bieten Maxwells Gleichungen eine Möglichkeit, dieses Problem zu untersuchen: Die Verteilungsänderungen des Elektronenstroms oder der Ladungsdichte in einem Objekt unter der Wirkung eines externen elektromagnetischen Feldes; Die oszillierenden Ladungen und Ströme können Änderungen im elektromagnetischen Feld verursachen, sodass sie sich von der Oberfläche eines Objekts zum äußeren Raum ausbreiten können. Nach dem Prinzip der Kontinuität erscheint es logisch zu schließen, dass die Verteilung von Ladungen und Strömen auf der Oberfläche eines Objekts aus der räumlichen Feldverteilung extrem nahe am Objekt rekonstruiert werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass sich die Verteilung von Ladungen oder Strömen nur in extrem geringen Entfernungen ändert (im Allgemeinen weniger als die Wellenlänge), gehen wir auch davon aus, dass sich das "Raumfeld extrem nahe am Objekt" nur in solch geringen Entfernungen ändert.
