目錄
基 礎(chǔ) 篇
第1章近場(chǎng)光學(xué)發(fā)展史3
1.1近場(chǎng)光學(xué)和近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的發(fā)展簡(jiǎn)史3
1.1.1最初的動(dòng)機(jī)——突破衍射極限3
1.1.2基本概念的提出4
1.1.3實(shí)驗(yàn)證明4
1.1.4超分辨成像的實(shí)現(xiàn)5
1.1.5表面等離激元和SERS6
1.1.6現(xiàn)代近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡6
1.1.7PSTM與外差探測(cè)方法8
1.1.8真實(shí)圖像與虛假圖像10
1.1.9近場(chǎng)散射與場(chǎng)增強(qiáng)10
1.1.10近場(chǎng)光學(xué)與光學(xué)天線11
1.2近場(chǎng)光學(xué)理論研究12
1.3近場(chǎng)光學(xué)最近的發(fā)展14
1.4本章小結(jié)15
參考文獻(xiàn)15
第2章近場(chǎng)光學(xué)原理23
2.1近場(chǎng)光學(xué)原理發(fā)展概況24
2.2從“光學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)”到“光學(xué)近場(chǎng)”25
2.3不確定性原理的解釋27
2.4角譜（平面波展開(kāi)）方法的解釋29
2.5表面（納米）結(jié)構(gòu)與隱失場(chǎng)30
2.5.1全反射與隱失場(chǎng)30
2.5.2精細(xì)結(jié)構(gòu)與隱失場(chǎng)32
2.6近場(chǎng)光學(xué)探測(cè)原理34
2.6.1近場(chǎng)光學(xué)探測(cè)機(jī)理34
2.6.2Courjon的模型34
2.6.3近場(chǎng)探測(cè)的核心問(wèn)題36
2.7近場(chǎng)光學(xué)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(chǎng)光學(xué)中的應(yīng)用形式39
2.7.3互易定理在近場(chǎng)光學(xué)中的研究進(jìn)展41
2.8等離激元光學(xué)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(xiàn)50
第3章光學(xué)天線52
3.1引言52
3.2光學(xué)天線基礎(chǔ)52
3.2.1光學(xué)天線及相關(guān)物理量的定義53
3.2.2光學(xué)天線的常見(jiàn)形式55
3.2.3光學(xué)天線的研究?jī)?nèi)容58
3.3光學(xué)天線的研究模型及方法59
3.3.1經(jīng)驗(yàn)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(xué)天線的應(yīng)用68
3.4.1光學(xué)天線在光發(fā)射中的應(yīng)用69
3.4.2光學(xué)天線在納米成像中的應(yīng)用71
3.4.3光學(xué)天線的共振調(diào)節(jié)應(yīng)用73
3.5本章小結(jié)75
參考文獻(xiàn)76
第4章近場(chǎng)光學(xué)探針79
4.1近場(chǎng)光學(xué)探針是光學(xué)顯微鏡的核心器件79
4.2近場(chǎng)光學(xué)探針的原理79
4.2.1探針與光學(xué)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(chǎng)光學(xué)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(chǎng)光學(xué)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(chǎng)光學(xué)探針的應(yīng)用105
4.6本章小結(jié)106
參考文獻(xiàn)106
第5章近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)110
5.1近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡測(cè)量系統(tǒng)110
5.2近場(chǎng)光學(xué)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(wú)孔徑探針112
5.2.3探針/樣品間距測(cè)控與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)112
5.2.4樣品掃描臺(tái)和探針掃描頭112
5.2.5集光系統(tǒng)113
5.2.6光電探測(cè)與視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)113
5.2.7數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng)114
5.3近場(chǎng)光學(xué)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(duì)比度機(jī)制118
5.3.4光學(xué)分辨率極限119
5.4掃描管與掃描臺(tái)120
5.4.1掃描管120
5.4.2掃描臺(tái)122
5.5間距測(cè)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(chǎng)照明激發(fā)139
5.7近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的分類140
5.7.1掃描近場(chǎng)光學(xué)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(chǎng)顯微鏡142
5.7.4散射型近場(chǎng)顯微鏡142
5.7.5其他類型近場(chǎng)顯微鏡143
5.8本章小結(jié)143
參考文獻(xiàn)144
第6章孔徑型近場(chǎng)光學(xué)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(yīng)特性148
6.1.2鍍鋁膜孔徑探針的矢量響應(yīng)特性149
6.2孔徑型近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡儀器系統(tǒng)151
6.3間距測(cè)控模式152
6.4照明模式與集光模式152
6.5孔徑型近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的分辨率153
6.6孔徑探針使用中的問(wèn)題154
6.7孔徑型近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)155
6.7.1近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的位移控制155
6.7.2近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡與近場(chǎng)光學(xué)成像156
6.8孔徑型近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的應(yīng)用159
6.8.1超分辨成像159
6.8.2近場(chǎng)光譜學(xué)159
6.8.3近場(chǎng)光刻160
6.8.4納米光場(chǎng)多參數(shù)測(cè)量160
6.8.5其他應(yīng)用161
6.9本章小結(jié)161
參考文獻(xiàn)161
第7章散射型近場(chǎng)光學(xué)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(yīng)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(hào)收集171
7.2.3信號(hào)處理與圖像重構(gòu)172
7.3探針測(cè)量中的增強(qiáng)效應(yīng)174
7.3.1局域表面等離激元共振效應(yīng)174
7.3.2避雷針效應(yīng)176
7.3.3鏡像偶極子效應(yīng)——間隙模式與微腔模式177
7.3.4電場(chǎng)梯度增強(qiáng)效應(yīng)179
7.4散射型SNOM的對(duì)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(wèn)題184
7.7散射型SNOM的應(yīng)用185
7.7.1近場(chǎng)光譜測(cè)量185
7.7.2近場(chǎng)光場(chǎng)多參數(shù)測(cè)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(xiàn)188
測(cè) 量 篇
第8章納米光場(chǎng)參數(shù)測(cè)量195
8.1納米光場(chǎng)多參數(shù)測(cè)量的概念195
8.2測(cè)量原理與方法196
8.2.1光強(qiáng)測(cè)量197
8.2.2相位振幅測(cè)量197
8.2.3偏振矢量測(cè)量197
8.2.4光頻磁場(chǎng)測(cè)量198
8.2.5光譜測(cè)量199
8.3測(cè)量系統(tǒng)與功能探針199
8.3.1測(cè)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(xiàn)202
第9章強(qiáng)度測(cè)量與超分辨光學(xué)成像203
9.1光場(chǎng)（電場(chǎng)）強(qiáng)度測(cè)量203
9.2超衍射分辨光學(xué)成像204
9.3納米光場(chǎng)強(qiáng)度分布測(cè)量208
9.4聚焦徑向偏振光場(chǎng)測(cè)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(chǎng)光學(xué)圖像的解釋216
9.8本章小結(jié)217
參考文獻(xiàn)218
第10章振幅/相位測(cè)量219
10.1納米光場(chǎng)振幅/相位測(cè)量發(fā)展220
10.2近場(chǎng)探測(cè)和探針外差干涉技術(shù)221
10.2.1光學(xué)探針外差干涉方法221
10.3幾種典型的光場(chǎng)相位測(cè)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(cè)量系統(tǒng)229
10.3.6利用CCD相移干涉成像230
10.4一些改進(jìn)型的相位測(cè)量方法231
10.4.1空間域和時(shí)域追蹤相位測(cè)量系統(tǒng)231
10.4.2實(shí)時(shí)相位漂移誤差補(bǔ)償測(cè)量方法233
10.5本章小結(jié)234
參考文獻(xiàn)234
第11章矢量場(chǎng)測(cè)量237
11.1引言237
11.2矢量場(chǎng)測(cè)量基礎(chǔ)238
11.2.1納米光場(chǎng)矢量特點(diǎn)及偏振描述238
11.2.2矢量場(chǎng)測(cè)量發(fā)展及原理244
11.3單一電場(chǎng)分量測(cè)量247
11.3.1縱向分量測(cè)量248
11.3.2面內(nèi)分量測(cè)量251
11.4面內(nèi)電場(chǎng)的偏振測(cè)量251
11.4.1探針外差干涉測(cè)量251
11.4.2探針多外差干涉測(cè)量252
11.5縱向及面內(nèi)電場(chǎng)的偏振測(cè)量255
11.5.1偽外差干涉橢偏術(shù)255
11.5.2旋轉(zhuǎn)偏振片橢偏術(shù)257
11.5.3散射型功能探針制備261
11.6全矢量場(chǎng)偏振測(cè)量262
11.6.1組合系統(tǒng)的直接測(cè)量262
11.6.2數(shù)值計(jì)算的間接測(cè)量263
11.6.3熒光分子探針測(cè)量264
11.7本章小結(jié)266
參考文獻(xiàn)267
第12章光頻磁場(chǎng)測(cè)量270
12.1光頻磁場(chǎng)的間接測(cè)量271
12.1.1基于矢量巴比涅原理的測(cè)量方法271
12.1.2基于法拉第電磁定律的測(cè)量方法273
12.2光頻磁場(chǎng)的直接測(cè)量276
12.2.1開(kāi)口環(huán)功能探針測(cè)量方法276
12.2.2Bethe小孔功能探針測(cè)量方法279
12.2.3中空金字塔功能探針測(cè)量方法282
12.2.4孔徑探針微擾理論測(cè)量方法284
12.3 基于互易定理的電磁場(chǎng)測(cè)量方法289
12.4本章小結(jié)292
參考文獻(xiàn)292
第13章近場(chǎng)光譜測(cè)量296
13.1 近場(chǎng)光譜術(shù)297
13.1.1 近場(chǎng)光譜術(shù)的發(fā)展297
13.1.2 近場(chǎng)光譜的特點(diǎn)300
13.2 近場(chǎng)光譜測(cè)量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)302
13.2.1 基于孔徑探針的近場(chǎng)光譜系統(tǒng)302
13.2.2 基于散射探針的近場(chǎng)光譜系統(tǒng)302
13.2.3探針增強(qiáng)光譜術(shù)302
13.2.4近場(chǎng)拉曼光譜TERS系統(tǒng)測(cè)量304
13.3光譜成像304
13.3.1近場(chǎng)光譜成像305
13.3.2光譜識(shí)別與形貌對(duì)應(yīng)分析309
13.4近場(chǎng)光譜測(cè)量應(yīng)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(shí)間分辨）光譜313
13.4.6單分子光譜315
13.5近場(chǎng)空間超分辨光譜318
13.6本章小結(jié)319
參考文獻(xiàn)319
應(yīng) 用 篇
第14章探針增強(qiáng)光譜術(shù)325
14.1傳統(tǒng)光譜術(shù)與“探針光譜術(shù)”325
14.2拉曼散射與拉曼光譜術(shù)326
14.3近場(chǎng)光譜與“探針光譜”概念330
14.4探針增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)的發(fā)展331
14.5TERS探測(cè)原理332
14.5.1TERS測(cè)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(cè)控與掃描模式348
14.5.5Mapping測(cè)量349
14.6TERS的其他關(guān)鍵技術(shù)350
14.6.1TERS探針350
14.6.2測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性353
14.7TERS測(cè)量系統(tǒng)的評(píng)價(jià)353
14.7.1空間分辨率354
14.7.2對(duì)比度和增強(qiáng)因子355
14.7.3光譜像與光譜識(shí)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(duì)應(yīng)分析359
14.7.5 TERS探測(cè)的限制因素359
14.8TERS的應(yīng)用363
14.8.1化學(xué)與單分子檢測(cè)364
14.8.2納米材料檢測(cè)366
14.8.3生物樣品探測(cè)373
14.8.4納米幾何尺寸和應(yīng)力測(cè)量373
14.8.5探針增強(qiáng)CARS光譜測(cè)量378
14.8.6高真空超低溫和液體環(huán)境下的測(cè)量383
14.9本章小結(jié)383
參考文獻(xiàn)384
第15章納米光源測(cè)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(xiàn)402
第16章等離激元光學(xué)器件測(cè)量404
16.1超透鏡成像測(cè)量405
16.2SPP波導(dǎo)器件測(cè)量407
16.2.1一維SPP波導(dǎo)407
16.2.2錐形透射線聚焦波導(dǎo)410
16.2.3圓柱臺(tái)鏈SPP結(jié)構(gòu)411
16.3聚焦原理與聚焦器件測(cè)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(duì)稱半圓弧結(jié)構(gòu)、對(duì)稱性破缺結(jié)構(gòu)420
16.3.6中心對(duì)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(cè)量423
16.5納米光學(xué)天線測(cè)量426
16.6阿基米德螺線型光學(xué)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(qiáng)隱失場(chǎng)測(cè)量443
16.9納米棱鏡測(cè)量445
16.10SPP回路測(cè)量446
16.11本章小結(jié)447
參考文獻(xiàn)448
第17章納米光學(xué)矢量場(chǎng)測(cè)量453
17.1相位測(cè)量在微納集成光學(xué)中的應(yīng)用454
17.1.1隱失場(chǎng)測(cè)量454
17.1.2波導(dǎo)模式與傳播特性研究456
17.1.3波導(dǎo)泄漏與光場(chǎng)傳輸457
17.2相位測(cè)量在等離激元光學(xué)器件上的應(yīng)用458
17.2.1SPP面內(nèi)聚焦器件459
17.2.2SPP干涉460
17.3相位測(cè)量在局域表面等離激元器件上的應(yīng)用462
17.3.1Fano共振傳感器462
17.3.2鎳納米光學(xué)天線464
17.4相位測(cè)量在空間光場(chǎng)傳播特性中的應(yīng)用467
17.4.1超構(gòu)材料與渦旋光場(chǎng)467
17.4.2空間光場(chǎng)傳播特性判斷470
17.5相位奇異點(diǎn)與光和物質(zhì)的相互作用471
17.6矢量場(chǎng)測(cè)量在光子晶體器件上的應(yīng)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(dǎo)的偏振奇異點(diǎn)476
17.7矢量場(chǎng)測(cè)量在SPP器件上的應(yīng)用478
17.7.1納米狹縫衍射場(chǎng)偏振分布478
17.7.2納米線陣列器件耦合場(chǎng)分布480
17.8矢量場(chǎng)測(cè)量在光學(xué)天線器件上的應(yīng)用482
17.8.1納米光源近場(chǎng)偏振分布483
17.8.2Bow-tie光學(xué)天線偏振分布485
17.8.3全電介質(zhì)光學(xué)天線偏振分布487
17.9矢量場(chǎng)測(cè)量在光場(chǎng)表征中的其他應(yīng)用489
17.9.1全內(nèi)反射隱失波駐波場(chǎng)測(cè)量490
17.9.2聚焦徑向偏振光場(chǎng)測(cè)量491
17.9.3近場(chǎng)圓二色性測(cè)量493
17.10光頻磁場(chǎng)測(cè)量的應(yīng)用495
17.10.1光子晶體微腔模式測(cè)量496
17.10.2光學(xué)天線器件共振模式測(cè)量496
17.10.3納米顆粒共振特性測(cè)量497
17.10.4聚焦徑向偏振光的磁場(chǎng)分布測(cè)量500
17.11本章小結(jié)500
參考文獻(xiàn)502
結(jié)束語(yǔ)507
主要名詞術(shù)語(yǔ)索引509