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高时间分辨近场扫描光学显微术的研究

作　者: 张工力
导　师: 侯洵
学　校: 中国科学院西安光学精密机械研究所
专　业: 光学
关键词: 近场扫描光学显微术光纤探针化学腐蚀高透过率压电效应切变力法向力红外条纹相机超短光脉冲上转换材料时域有限差分法传输特性
分类号: TH742
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

高时间分辨近场光学显微术是近场扫描光学显微术（NSOM）与高时间分辨光谱技术相结合的产物，它可以同时实现时间、空间上的高分辨率，是研究纳米尺度光物理、光化学和光生物等动力学不可或缺的重要手段。本文为实现这一结合，对相关技术进行了研究。本文首先概述了近场扫描光学显微术，回顾了它的发展历史与现状。接着研究了高透过率光纤探针的制作方法，我们以化学腐蚀法腐蚀普通石英光纤，通过适当比例的缓冲氢氟酸腐蚀液来增大针尖的圆锥角，并且解决了针尖真空镀膜等技术难题，研制出直径100nm、圆锥角30°、透过率5.5×10^-4的高透过率光纤探针。本文还发展了制作弯曲光纤探针的新方法，制作出曲率半径300μm，弯曲角度60°，长度500μm的弯曲光纤针尖。基于压电片的正、逆压电效应，我们提出了针尖与样品之间切变力和弯曲针尖与样品之间法向力的非光学探测方法，通过建立的数字反馈回路，将针尖与样品的间距控制在10nm以内，特别是法向力控制距离达到了40nm，较切变力的控制距离提高了一倍多。此外，本文还完成了NSOM的减振、探针与样品之间的自动粗逼近、三维扫描压电陶瓷管（PZT）及其扫描控制电路、光电探测、数据采集和图像处理等，最后建立了透射式NSOM装置。利用纤维棒管法，本文制作了纳米尺度的样品并标定出NSOM装置的空间分辨率优于125nm。在高时间分辨NSOM研究方面，本文先后建立了以皮秒红外条纹相机和光电倍增管为测量手段的皮秒、纳秒时间分辨NSOM装置，通过采集样品响应光脉冲的时间特性，单次扫描就可完成皮秒、纳秒变化过程中的近场光学图像。本文还测量了波长1.06μm、脉宽50ps光脉冲经过光纤探针的时间展宽特性，并对上转换材料CaS:Eu,Sm颗粒的红外激发荧光进行了近场探测和成像，获得了纳秒时间为参数的近场光学图像。此外，本文还采用时域有限差分（FDTD）法数值计算了不同孔径光纤探针的出射场分布，分析了光纤探针的光强、光斑以及工作距离之间的关系，计算结果对NSOM的实际应用具有一定的指导意义。

全文目录

第1章绪论  9-19
  1．1．研究意义及现状  9-16
  1．2．本文的研究内容  16-19
    参考文献  18-19
第2章近场扫描光学显微术  19-42
  2．1．关于空间分辨率  19-26
  2．2．原理和结构  26-33
  2．3．发展概况  33-35
  2．4．有关近场光学理论  35-36
  2．5．应用举例  36-42
    2．5．1．高分辨光学成像  37
    2．5．2．近场光谱  37-38
    2．5．3．高密度光存储  38-39
    2．5．4．高分辨光刻  39-40
    参考文献  40-42
第3章高透过率光纤探针的研制  42-57
  3．1．引言  42-43
  3．2．探针的研制  43-51
    3．2．1．化学腐蚀  43-46
    3．2．2．真空镀膜  46-50
    3．2．3．测试结果  50-51
  3．3．弯曲针尖  51-57
    3．3．1．加热弯曲  52-53
    3．3．2．化学腐蚀  53-54
    3．3．3．实验结果  54-56
    参考文献  56-57
第4章扫描力压电探测及数字反馈技术  57-71
  4．1．引言  57-58
  4．2．扫描力的压电探测  58-60
  4．3．数字反馈控制系统  60-63
  4．4．实验和结果  63-71
    4．4．1．切变力  63-65
    4．4．2．法向力  65-66
    4．4．3 探针振幅的测量  66-70
    参考文献  70-71
第5章 NSOM装置的建立  71-99
  5．1．减振  71
  5．2．粗逼近  71-72
  5．3．三维扫描  72-78
    5．3．1 扫描管  72-76
    5．3．2．高压放大器  76-78
  5．4．光电探测  78-79
  5．5．计算机控制系统  79-82
  5．6．图像处理  82-89
    5．6．1．直方图平坦化  82
    5．6．2．插值放大  82-83
    5．6．3．曲面拟合  83-86
    5．6．4．三维显示  86-89
  5．7．实验结果  89-99
    5．7．1．样品制备  90-93
    5．7．2．切变力成像  93-94
    5．7．3．近场光学成像  94-98
    参考文献  98-99
第6章高时间分辨NSOM的研究  99-117
  6．1．皮秒红外条纹相机  99-104
  6．2．皮秒时间分辨NSOM  104-105
  6．3．光纤探针中皮秒光脉冲时间展宽特性的测量  105-109
  6．4．纳秒时间分辨NSOM  109-117
    6．4．1．实验装置  109-110
    6．4．2．样品制备  110-112
    6．4．3．实验及结果  112-116
    参考文献  116-117
第7章探针传输特性的数值分析  117-138
  7．1．时域有限差分法  117-124
    7．1．1．麦克斯韦方程组  117-118
    7．1．2． FDTD基本方程  118-123
    7．1．3．吸收边界条件  123-124
  7．2．探针模型  124-126
  7．3．边界条件  126-128
  7．4．数值计算  128-130
  7．5．分析和讨论  130-138
    参考文献  137-138
第8章总结与建议  138-142
  8．1．总结  138-139
  8．2．建议  139-142
    参考文献  141-142
致谢  142-143

高时间分辨近场扫描光学显微术的研究

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