掃描近場光學顯微鏡能夠突破光學衍射極限實現(xiàn)超分辨成像，因此成為納米光學測量中*重要的工具之一。本書首先對近場光學的基本概念和探測原理進行概述，然后對近場光學顯微鏡的分類、工作原理、功能模塊、關鍵技術、性能指標等進行闡述。納米光學測量在納米光子學和等離激元光學研究中有諸多重要的應用，包括近場光學超分辨成像、納米尺度光場振幅、相位、矢量場、磁場、偏振、光譜等物理參數(shù)的測量表征。本書還介紹納米光學測量的新原理和新方法，并針對納米光學、等離激元光學研究中的實驗測量問題引用了國內(nèi)外大量**研究成果和實例，闡述了應用前景。
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目錄
基 礎 篇
第1章近場光學發(fā)展史3
1.1近場光學和近場光學顯微鏡的發(fā)展簡史3
1.1.1最初的動機——突破衍射極限3
1.1.2基本概念的提出4
1.1.3實驗證明4
1.1.4超分辨成像的實現(xiàn)5
1.1.5表面等離激元和SERS6
1.1.6現(xiàn)代近場光學顯微鏡6
1.1.7PSTM與外差探測方法8
1.1.8真實圖像與虛假圖像10
1.1.9近場散射與場增強10
1.1.10近場光學與光學天線11
1.2近場光學理論研究12
1.3近場光學最近的發(fā)展14
1.4本章小結(jié)15
參考文獻15
第2章近場光學原理23
2.1近場光學原理發(fā)展概況24
2.2從“光學遠場”到“光學近場”25
2.3不確定性原理的解釋27
2.4角譜（平面波展開）方法的解釋29
2.5表面（納米）結(jié)構(gòu)與隱失場30
2.5.1全反射與隱失場30
2.5.2精細結(jié)構(gòu)與隱失場32
2.6近場光學探測原理34
2.6.1近場光學探測機理34
2.6.2Courjon的模型34
2.6.3近場探測的核心問題36
2.7近場光學中的互易定理37
2.7.1互易定理的定義38
2.7.2互易定理在近場光學中的應用形式39
2.7.3互易定理在近場光學中的研究進展41
2.8等離激元光學基本原理42
2.8.1金屬中自由電子的諧振模型42
2.8.2SPP定義43
2.8.3SPP的激發(fā)條件與方式43
2.8.4SPP的傳播和損耗46
2.8.5局域表面等離激元47
2.9本章小結(jié)49
參考文獻50
第3章光學天線52
3.1引言52
3.2光學天線基礎52
3.2.1光學天線及相關物理量的定義53
3.2.2光學天線的常見形式55
3.2.3光學天線的研究內(nèi)容58
3.3光學天線的研究模型及方法59
3.3.1經(jīng)驗式F-P共振模型59
3.3.2納米等效電路模型62
3.3.3電流積分模型66
3.4光學天線的應用68
3.4.1光學天線在光發(fā)射中的應用69
3.4.2光學天線在納米成像中的應用71
3.4.3光學天線的共振調(diào)節(jié)應用73
3.5本章小結(jié)75
參考文獻76
第4章近場光學探針79
4.1近場光學探針是光學顯微鏡的核心器件79
4.2近場光學探針的原理79
4.2.1探針與光學分辨率80
4.2.2探針與成像質(zhì)量80
4.2.3探針類型決定了間距控制方式和系統(tǒng)工作模式81
4.3近場光學探針的種類81
4.3.1介質(zhì)探針81
4.3.2孔徑型探針83
4.3.3散射型近場光學探針91
4.3.4等離激元探針97
4.3.5單分子探針和微粒功能探針103
4.3.6其他功能探針104
4.4探針與基片間的相互作用105
4.5近場光學探針的應用105
4.6本章小結(jié)106
參考文獻106
第5章近場光學顯微鏡系統(tǒng)110
5.1近場光學顯微鏡測量系統(tǒng)110
5.2近場光學顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)110
5.2.1光源和聚焦耦合系統(tǒng)111
5.2.2光纖孔徑探針或無孔徑探針112
5.2.3探針/樣品間距測控與驅(qū)動系統(tǒng)112
5.2.4樣品掃描臺和探針掃描頭112
5.2.5集光系統(tǒng)113
5.2.6光電探測與視頻監(jiān)測系統(tǒng)113
5.2.7數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng)114
5.3近場光學顯微鏡的工作模式和掃描模式114
5.3.1工作模式114
5.3.2掃描模式116
5.3.3幾種對比度機制118
5.3.4光學分辨率極限119
5.4掃描管與掃描臺120
5.4.1掃描管120
5.4.2掃描臺122
5.5間距測控——剪切力模式與輕敲模式123
5.5.1剪切力模式123
5.5.2法向力輕敲模式126
5.6多參數(shù)照明與矢量光束照明128
5.6.1多參數(shù)照明128
5.6.2矢量光束及特性130
5.6.3矢量光束的產(chǎn)生132
5.6.4矢量光束聚焦136
5.6.5縱向光場照明激發(fā)139
5.7近場光學顯微鏡的分類140
5.7.1掃描近場光學顯微鏡141
5.7.2光子掃描隧道顯微鏡141
5.7.3孔徑型近場顯微鏡142
5.7.4散射型近場顯微鏡142
5.7.5其他類型近場顯微鏡143
5.8本章小結(jié)143
參考文獻144
第6章孔徑型近場光學顯微鏡147
6.1孔徑型SNOM的原理148
6.1.1裸光纖探針的矢量響應特性148
6.1.2鍍鋁膜孔徑探針的矢量響應特性149
6.2孔徑型近場光學顯微鏡儀器系統(tǒng)151
6.3間距測控模式152
6.4照明模式與集光模式152
6.5孔徑型近場光學顯微鏡的分辨率153
6.6孔徑探針使用中的問題154
6.7孔徑型近場光學顯微鏡系統(tǒng)155
6.7.1近場光學顯微鏡的位移控制155
6.7.2近場光學顯微鏡與近場光學成像156
6.8孔徑型近場光學顯微鏡的應用159
6.8.1超分辨成像159
6.8.2近場光譜學159
6.8.3近場光刻160
6.8.4納米光場多參數(shù)測量160
6.8.5其他應用161
6.9本章小結(jié)161
參考文獻161
第7章散射型近場光學顯微鏡164
7.1散射型SNOM的原理164
7.1.1散射型SNOM系統(tǒng)及工作原理165
7.1.2散射型探針模型及矢量響應特性166
7.2散射型SNOM儀器系統(tǒng)170
7.2.1距離控制方法170
7.2.2照明激發(fā)與散射信號收集171
7.2.3信號處理與圖像重構(gòu)172
7.3探針測量中的增強效應174
7.3.1局域表面等離激元共振效應174
7.3.2避雷針效應176
7.3.3鏡像偶極子效應——間隙模式與微腔模式177
7.3.4電場梯度增強效應179
7.4散射型SNOM的對比度和分辨率182
7.5散射背景噪聲的抑制182
7.6散射型探針使用中的問題184
7.7散射型SNOM的應用185
7.7.1近場光譜測量185
7.7.2近場光場多參數(shù)測量185
7.7.3新穎低維材料表征186
7.8本章小結(jié)188
參考文獻188
測 量 篇
第8章納米光場參數(shù)測量195
8.1納米光場多參數(shù)測量的概念195
8.2測量原理與方法196
8.2.1光強測量197
8.2.2相位振幅測量197
8.2.3偏振矢量測量197
8.2.4光頻磁場測量198
8.2.5光譜測量199
8.3測量系統(tǒng)與功能探針199
8.3.1測量系統(tǒng)199
8.3.2功能探針200
8.4本章小結(jié)201
參考文獻202
第9章強度測量與超分辨光學成像203
9.1光場（電場）強度測量203
9.2超衍射分辨光學成像204
9.3納米光場強度分布測量208
9.4聚焦徑向偏振光場測量210
9.5大范圍SNOM成像212
9.6提高SNOM成像分辨率214
9.7近場光學圖像的解釋216
9.8本章小結(jié)217
參考文獻218
第10章振幅/相位測量219
10.1納米光場振幅/相位測量發(fā)展220
10.2近場探測和探針外差干涉技術221
10.2.1光學探針外差干涉方法221
10.3幾種典型的光場相位測量方法223
10.3.1孔徑型探針外差干涉系統(tǒng)223
10.3.2鎖相放大器的相位解調(diào)原理224
10.3.3散射型探針外差干涉系統(tǒng)225
10.3.4散射型偽外差干涉系統(tǒng)228
10.3.5散射型相移干涉測量系統(tǒng)229
10.3.6利用CCD相移干涉成像230
10.4一些改進型的相位測量方法231
10.4.1空間域和時域追蹤相位測量系統(tǒng)231
10.4.2實時相位漂移誤差補償測量方法233
10.5本章小結(jié)234
參考文獻234
第11章矢量場測量237
11.1引言237
11.2矢量場測量基礎238
11.2.1納米光場矢量特點及偏振描述238
11.2.2矢量場測量發(fā)展及原理244
11.3單一電場分量測量247
11.3.1縱向分量測量248
11.3.2面內(nèi)分量測量251
11.4面內(nèi)電場的偏振測量251
11.4.1探針外差干涉測量251
11.4.2探針多外差干涉測量252
11.5縱向及面內(nèi)電場的偏振測量255
11.5.1偽外差干涉橢偏術255
11.5.2旋轉(zhuǎn)偏振片橢偏術257
11.5.3散射型功能探針制備261
11.6全矢量場偏振測量262
11.6.1組合系統(tǒng)的直接測量262
11.6.2數(shù)值計算的間接測量263
11.6.3熒光分子探針測量264
11.7本章小結(jié)266
參考文獻267
第12章光頻磁場測量270
12.1光頻磁場的間接測量271
12.1.1基于矢量巴比涅原理的測量方法271
12.1.2基于法拉第電磁定律的測量方法273
12.2光頻磁場的直接測量276
12.2.1開口環(huán)功能探針測量方法276
12.2.2Bethe小孔功能探針測量方法279
12.2.3中空金字塔功能探針測量方法282
12.2.4孔徑探針微擾理論測量方法284
12.3 基于互易定理的電磁場測量方法289
12.4本章小結(jié)292
參考文獻292
第13章近場光譜測量296
13.1 近場光譜術297
13.1.1 近場光譜術的發(fā)展297
13.1.2 近場光譜的特點300
13.2 近場光譜測量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)302
13.2.1 基于孔徑探針的近場光譜系統(tǒng)302
13.2.2 基于散射探針的近場光譜系統(tǒng)302
13.2.3探針增強光譜術302
13.2.4近場拉曼光譜TERS系統(tǒng)測量304
13.3光譜成像304
13.3.1近場光譜成像305
13.3.2光譜識別與形貌對應分析309
13.4近場光譜測量應用310
13.4.1吸收譜310
13.4.2光致發(fā)光熒光激發(fā)譜310
13.4.3拉曼光譜311
13.4.4 光致發(fā)光光譜312
13.4.5瞬態(tài)（時間分辨）光譜313
13.4.6單分子光譜315
13.5近場空間超分辨光譜318
13.6本章小結(jié)319
參考文獻319
應 用 篇
第14章探針增強光譜術325
14.1傳統(tǒng)光譜術與“探針光譜術”325
14.2拉曼散射與拉曼光譜術326
14.3近場光譜與“探針光譜”概念330
14.4探針增強拉曼光譜術的發(fā)展331
14.5TERS探測原理332
14.5.1TERS測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)335
14.5.2照明激發(fā)與光束優(yōu)化337
14.5.3 受激照明TERS方法346
14.5.4間距測控與掃描模式348
14.5.5Mapping測量349
14.6TERS的其他關鍵技術350
14.6.1TERS探針350
14.6.2測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性353
14.7TERS測量系統(tǒng)的評價353
14.7.1空間分辨率354
14.7.2對比度和增強因子355
14.7.3光譜像與光譜識別357
14.7.4納米局域光譜數(shù)據(jù)與納米形貌數(shù)據(jù)的對應分析359
14.7.5 TERS探測的限制因素359
14.8TERS的應用363
14.8.1化學與單分子檢測364
14.8.2納米材料檢測366
14.8.3生物樣品探測373
14.8.4納米幾何尺寸和應力測量373
14.8.5探針增強CARS光譜測量378
14.8.6高真空超低溫和液體環(huán)境下的測量383
14.9本章小結(jié)383
參考文獻384
第15章納米光源測量393
15.1有源納米光源——小孔激光器393
15.2等離激元納米光源397
15.3本章小結(jié)402
參考文獻402
第16章等離激元光學器件測量404
16.1超透鏡成像測量405
16.2SPP波導器件測量407
16.2.1一維SPP波導407
16.2.2錐形透射線聚焦波導410
16.2.3圓柱臺鏈SPP結(jié)構(gòu)411
16.3聚焦原理與聚焦器件測量413
16.3.1一維SPP結(jié)構(gòu)聚焦與束流413
16.3.2SPP牛眼結(jié)構(gòu)416
16.3.3孔陣列SPP聚焦器件418
16.3.4半弧、多重弧結(jié)構(gòu)SPP聚焦器件419
16.3.5對稱半圓弧結(jié)構(gòu)、對稱性破缺結(jié)構(gòu)420
16.3.6中心對稱環(huán)分布孔徑陣列結(jié)構(gòu)421
16.3.7徑向偏振光照明聚焦422
16.4SPP分光與反射器件測量423
16.5納米光學天線測量426
16.6阿基米德螺線型光學天線431
16.7超構(gòu)材料和超構(gòu)表面439
16.8石墨烯單層增強隱失場測量443
16.9納米棱鏡測量445
16.10SPP回路測量446
16.11本章小結(jié)447
參考文獻448
第17章納米光學矢量場測量453
17.1相位測量在微納集成光學中的應用454
17.1.1隱失場測量454
17.1.2波導模式與傳播特性研究456
17.1.3波導泄漏與光場傳輸457
17.2相位測量在等離激元光學器件上的應用458
17.2.1SPP面內(nèi)聚焦器件459
17.2.2SPP干涉460
17.3相位測量在局域表面等離激元器件上的應用462
17.3.1Fano共振傳感器462
17.3.2鎳納米光學天線464
17.4相位測量在空間光場傳播特性中的應用467
17.4.1超構(gòu)材料與渦旋光場467
17.4.2空間光場傳播特性判斷470
17.5相位奇異點與光和物質(zhì)的相互作用471
17.6矢量場測量在光子晶體器件上的應用473
17.6.1光子晶體微腔的偏振分布474
17.6.2光子晶體波導的偏振奇異點476
17.7矢量場測量在SPP器件上的應用478
17.7.1納米狹縫衍射場偏振分布478
17.7.2納米線陣列器件耦合場分布480
17.8矢量場測量在光學天線器件上的應用482
17.8.1納米光源近場偏振分布483
17.8.2Bow-tie光學天線偏振分布485
17.8.3全電介質(zhì)光學天線偏振分布487
17.9矢量場測量在光場表征中的其他應用489
17.9.1全內(nèi)反射隱失波駐波場測量490
17.9.2聚焦徑向偏振光場測量491
17.9.3近場圓二色性測量493
17.10光頻磁場測量的應用495
17.10.1光子晶體微腔模式測量496
17.10.2光學天線器件共振模式測量496
17.10.3納米顆粒共振特性測量497
17.10.4聚焦徑向偏振光的磁場分布測量500
17.11本章小結(jié)500
參考文獻502
結(jié)束語507
主要名詞術語索引509
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