反射式近场光学显微镜样品近场光分布特性

　　引 言

　　二十世纪八十年代以来，随着测量技术向小尺度和低维空间的推进，在光学领域中出现了一个新型交叉学科——近场光学。近场光学显微镜的出现使人们的视野由入射光波长一半的尺度拓展到波长的几十分之一，即纳米尺度。在近场光学显微镜中，传统光学仪器中的镜头被细小的光学探针所代替。当把纳米级的探针放置在距离样品表面半个波长范围内时，就可以探测到丰富的近场信息。这些精细的结构信息仅存在于样品表面的近场区域内，这为探测带来了一定的难度。近场光学显微镜由于能对探测对象做无损超分辨探测，使得人们对它的研究至今方兴未艾[1]。各国的研究者不断地向更高分辨率和更简单可靠的系统结构迈进，与之相关的理论问题不断被探索[2]。与隧道扫描显微镜不同，在反射式近场光学显微镜中，光纤扫描探针深入近场，即充当照明光源又收集成像样品反射回来的近场信息。由于照明光的干扰及反射光中传播场分量的影响，探测到的近场信号比较弱，其信噪比(SNR)也较低。为实现此显微镜的实验设计，必须全面了解观测样品表面的近场分布特征。

　　由于近场光学所涉及的几何尺寸都在亚波长的尺度范围内，即所谓的介观尺度(Mesoscopic);而在介观尺度上，经典电动力学和半经典量子方法都不能很好地求解场的分布，这驱使人们在近场光学理论研究中不断寻求新的方法。本文尝试采用微扰近似的方法对一种结构模型的样品表面的近场分布进行理论研究。

　　1 近场探测

　　在反射式近场显微镜的研究中多以周期性结构模拟观测样品，这些周期性结构可以简化为图1 所示的两维系统。设样品表面的面形函数为ξ(y)，周期为 a，则有 z=ξ(y)=ξ(y+a)，由于满足周期性，可以对面形函数进行如下傅立叶变换：

　　假设以振幅为 A0的线偏振光波作为入射光，其波长设为λ，入射角为θ，则场分量表达式为u(y, z)。对于垂直极化S波(TE波)，u(y, z)代表电矢量分量 Ex，Ey=Ez=0;对于平行极化 P 波(TM 波)，u(y, z)代表磁矢量分量 Hx，Hy=Hz=0 根据电磁场矢量衍射理论中的二元光学理论，空气和介质中场分布分别表示为

　　可见，只有零阶场是传播场，其它阶次的反射场都是隐失场[3]。这些隐失场随着离开样品表面距离的增大成指数衰减，不能向远场传播，只能采用近场探测的方法获得这些近场信息。通过(3)式还可以看出，为了获得近场信息，探针与样品的间距必须足够小，一般要求他们之间的距离至少为 d=a/2π，若 a 取十分之一个波长，探针与样品的间距至少应控制在几十纳米左右，才能对近场信号进行有效的探测，这个结论与近场光学显微镜的实验结果相符。