Η αρχή της οπτικής μικροσκοπίας κοντινού πεδίου
Traditional optical microscopes consist of optical lenses that can magnify objects several thousand times to observe details. Due to the diffraction effect of light waves, it is impossible to increase the magnification infinitely, as the diffraction limit of light waves will be encountered. The resolution of traditional optical microscopes cannot exceed half of the wavelength of light. For example, using green light with a wavelength of λ=400nm as the light source can only distinguish two objects with a distance of 200nm. In practical applications, when λ>400nm, the resolution is lower. This is because general optical observations are made at a distance (>>λ) από το αντικείμενο.
Με βάση τις αρχές ανίχνευσης και απεικόνισης μη ακτινοβολούμενων πεδίων, τα οπτικά μικροσκόπια κοντινού πεδίου μπορούν να ξεπεράσουν το όριο περίθλασης των συνηθισμένων οπτικών μικροσκοπίων και να πραγματοποιήσουν οπτική απεικόνιση νανοκλίμακας και φασματική έρευνα σε εξαιρετικά υψηλή οπτική ανάλυση.
Το οπτικό μικροσκόπιο κοντινού πεδίου αποτελείται από έναν ανιχνευτή, συσκευή μετάδοσης σήματος, έλεγχο σάρωσης, επεξεργασία σήματος και σύστημα ανάδρασης σήματος. Η αρχή της δημιουργίας και ανίχνευσης κοντινού πεδίου: Το προσπίπτον φως λάμπει σε ένα αντικείμενο με πολλές μικρές και λεπτές δομές στην επιφάνεια. Αυτές οι λεπτές δομές, υπό τη δράση του προσπίπτοντος φωτεινού πεδίου, παράγουν ανακλώμενα κύματα, συμπεριλαμβανομένων παροδικών κυμάτων που περιορίζονται στην επιφάνεια του αντικειμένου και διαδίδονται κύματα προς την απόσταση. Τα παροδικά κύματα προέρχονται από λεπτές δομές μέσα σε αντικείμενα (αντικείμενα μικρότερα από το μήκος κύματος). Τα κύματα που διαδίδονται προέρχονται από τις τραχιές δομές του αντικειμένου (αντικείμενα μεγαλύτερα από το μήκος κύματος), οι οποίες δεν περιέχουν καμία πληροφορία για τη λεπτή δομή του αντικειμένου. Εάν ένα πολύ μικρό κέντρο σκέδασης χρησιμοποιηθεί ως νανοανιχνευτής (όπως ένας ανιχνευτής) και τοποθετηθεί αρκετά κοντά στην επιφάνεια του αντικειμένου, το παρερχόμενο κύμα διεγείρεται, αναγκάζοντας το να εκπέμπει ξανά φως. Το φως που παράγεται από αυτή τη διέγερση περιλαμβάνει επίσης μη ανιχνεύσιμα παροδικά κύματα και κύματα διάδοσης που μπορούν να διαδοθούν σε μακρινή ανίχνευση, ολοκληρώνοντας τη διαδικασία ανίχνευσης κοντινού πεδίου. Η μετάβαση μεταξύ του παροδικού πεδίου και του πεδίου διάδοσης είναι γραμμική και το πεδίο διάδοσης αντικατοπτρίζει με ακρίβεια τις αλλαγές στο λανθάνον πεδίο. Εάν χρησιμοποιείται κέντρο σκέδασης για τη σάρωση της επιφάνειας ενός αντικειμένου, μπορεί να ληφθεί μια δισδιάστατη εικόνα. Σύμφωνα με την αρχή της αμοιβαίας αντιστροφής, η αλληλεπίδραση μεταξύ της πηγής φωτός ακτινοβολίας και του νανοανιχνευτή ανταλλάσσεται και το δείγμα ακτινοβολείται με μια πηγή νανοφωτός (πεδίο παρόδου). Λόγω της επίδρασης σκέδασης της λεπτής δομής του αντικειμένου σε σύγκριση με το πεδίο εκπομπής, το παρερχόμενο κύμα μετατρέπεται σε κύμα διάδοσης που μπορεί να ανιχνευθεί από απόσταση και τα αποτελέσματα είναι απολύτως πανομοιότυπα.
Η οπτική μικροσκοπία κοντινού πεδίου είναι μια τεχνική ψηφιακής απεικόνισης που περιλαμβάνει τη σάρωση και την καταγραφή ενός ανιχνευτή σημείο προς σημείο στην επιφάνεια ενός δείγματος. Το σχήμα 1 είναι ένα διάγραμμα αρχής απεικόνισης ενός οπτικού μικροσκοπίου κοντινού πεδίου. Η χονδρική μέθοδος προσέγγισης του xyz στο σχήμα μπορεί να ρυθμίσει την απόσταση μεταξύ του καθετήρα και του δείγματος με ακρίβεια δεκάδων νανομέτρων. Η σάρωση xy και ο έλεγχος z μπορούν να ελέγξουν τη σάρωση του αισθητήρα και την ανάδραση κατεύθυνσης z με ακρίβεια 1 nm. Το προσπίπτον λέιζερ στο σχήμα εισάγεται στον καθετήρα μέσω μιας οπτικής ίνας και μπορεί να αλλάξει την κατάσταση πόλωσης του προσπίπτοντος φωτός σύμφωνα με τις απαιτήσεις. Όταν το προσπίπτον λέιζερ ακτινοβολεί το δείγμα, ο ανιχνευτής μπορεί να συλλέξει ξεχωριστά το σήμα μετάδοσης και το σήμα ανάκλασης που διαμορφώνεται από το δείγμα, τα οποία ενισχύονται από έναν σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή. Στη συνέχεια, μετατρέπονται απευθείας από αναλογικά σε ψηφιακά και συλλέγονται από υπολογιστή ή εισάγονται σε φασματόμετρο μέσω φασματοσκοπικού συστήματος για να ληφθούν φασματικές πληροφορίες. Ο έλεγχος συστήματος, η απόκτηση δεδομένων, η εμφάνιση εικόνων και η επεξεργασία δεδομένων ολοκληρώνονται από υπολογιστές. Από την παραπάνω διαδικασία απεικόνισης, μπορεί να φανεί ότι το οπτικό μικροσκόπιο κοντινού πεδίου μπορεί να συλλέξει ταυτόχρονα τρεις τύπους πληροφοριών, δηλαδή τη μορφολογία της επιφάνειας του δείγματος, τα οπτικά σήματα κοντινού πεδίου και τα φασματικά σήματα.
