1959年美国物理学家费曼曾发表了著名的演说“在底层还有许多空间(There is plenty of room at the bottom)”，被誉为“纳米科学的开山之作”。费曼在演讲中指出，如果人们将一微米的长度分割成纳米的片断。人们能够想象有多少片断和多少空间是能够进行操作的？经典光学和量子光学能够解释从宇宙到光子的物理现象，但是处于纳米尺度（国际上定义为1～100nm），即介观尺度却是空白。近场光学和纳米光学的发展正好填补了这个空白。当光与物质的相互作用进入纳米尺度时，产生了许多人们意想不到的奇异现象。后来科学的发展充分证明了费曼的论断是多么富于科学的洞察力。它不仅引起了科学家极大的兴趣和关注，而且引发了人们对纳米科学技术发展前景的希望和憧憬。

人们总想看清楚更小更细微的物体，光学显微镜是最好的工具。但是当进入纳米领域，由于受到衍射极限的限制，传统光学显微镜难以胜任。长期以来，突破光学衍射极限是科学家面对的挑战，实现超光学分辨成像是科学家的梦想。近场光学方法的出现和发展不仅突破了光学衍射极限，而且实现了超衍射分辨率的光学成像，更为科学家们揭示纳米尺度上认识光与物质的相互作用提供了一个全新的技术。

传统光学显微镜系统的放大倍率是不能任意增大的，其光学分辨率受到衍射极限的限制。根据瑞利判据，由于衍射效应，传统光学显微镜分辨率不会超过照明光波长的一半。例如：使用波长500纳米左右的黄绿色光源，光学分辨率不会超过250纳米。由瑞利判据可知，提高分辨率的方法包括：短波长光照明，如紫外光、极紫外、X射线等；提高物方折射率，如高折射率介质材料，选用高折射率油加在显微物镜和样品之间构成油浸物镜；增加显微物镜的半孔径角。所有这些方法都为人们所熟知。尽管通过这些手段在一定程度上能提高成像分辨率，但传统的光学显微镜还是无法突破光学衍射极限。

突破光学衍射极限是科学家始终不渝的追求目标。1928年，E. H. Synge提出了近场成像的概念，其原理如图所示，主要包括四个部分：(i)在不透明的平板或薄膜上制备一个尺度远小于入射光波长的小孔，使得入射光只能从小孔透射；(ii)控制待测样品与小孔的间距在近场范围内，如10-20nm；（iii）入射光通过小孔照明样品，透过样品的光通过显微镜聚焦到探测器上；(vi)对样品表面以栅格化方式扫描，这样就克服了衍射极限，从而获得超高光学分辨率的图像。理论上，这种成像方法是完全可行的，且分辨率可以达到10 nm甚至更高，这就是最早提出的扫描近场光学显微镜（Scanning Near-field Optical Microscopy – SNOM，也称为Near-field Scanning OpticalMicroscopy –NSOM）的雏形。虽然由于当时技术条件的限制，Synge的构想未能实现，但是Synge提出的概念设计开启了近场光学测量思维的大门。之后，经过了将近60年的发展，这些制约Synge构想实现的技术难题逐一被攻克。从此近场光学测量和表征的研究进入了一个全新的发展时期。

近场光学成像的概念设计

近年来，近场光学和近场光学显微镜测量技术已经从超分辨光学成像发展到近场光学光谱、纳米光场多物理量测量和表征。同时，近场光学测量的发展从上个世纪八十年代开始已经引起了国际学术界和产业界的极大关注，出现了商品测量系统。在国内很多科学家的鼓励和支持下，很多年轻的科学工作者的积极加入，他们的创造性的科研成果对这一新兴领域产生极大的推动。

近场光学和纳米光学经过二十多年的发展，已经被广泛应用于多个领域，包括：物理、化学、生命科学、材料科学、信息存储、通讯、新型光学器件和仪器等。在超衍射分辨成像、超高密度光学存储、纳米光学传感器、纳米光子学功能器件和回路、纳米光谱等很多领域取得了众多重要成果和进展。

本文由钱俊、王芳摘编自王佳、武晓宇、孙琳编著的《扫描近场光学显微镜与纳米光学测量》一书。

ISBN 978-7-03-048799-5

扫描近场光学显微镜能够突破光学衍射极限实现超分辨成像，因此成为纳米光学测量中最重要的工具之一。《扫描近场光学显微镜与纳米光学测量》首先对近场光学的基本概念和探测原理进行了概述，然后对近场光学显微镜的分类、工作原理、功能模块、关键技术、性能指标等进行了阐述。纳米光学测量在纳米光子学和等离激元光学研究中有诸多重要的应用，包括近场光学超分辨成像、纳米尺度光场振幅、相位、矢量场、磁场、偏振、光谱等物理参数的测量表征。本书还介绍了纳米光学测量的新原理和新方法，并针对纳米子光学、等离激元光学研究中的实验测量问题引用了国内外大量最新研究成果和实例，阐述了应用前景。

本书可供物理、光学等相关专业的高年级大学生和研究生阅读，也可作为从事近场光学、纳米光子学、等离激元光学等领域研究的科技人员的参考书。

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