內容簡介

掃描近場光學顯微鏡能夠突破光學衍射極限實現超分辨成像，因此成為納米光學測量中較重要的工具之一。本書首先對近場光學的基本概念和探測原理進行瞭概述，然後對近場光學顯微鏡的分類、工作原理、功能模塊、關鍵技術、性能指標等進行瞭闡述。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、光譜等物理參數的測量錶徵。本書還介紹瞭納米光學測量的新原理和新方法，並針對納米子光學、等離激元光學研究中的實驗測量問題引用瞭國內外大量較新研究成果和實例，闡述瞭應用前景。

本書可供物理、光學等相關專業的高年級大學生和研究生閱讀，也可作為從事近場光學、納米光子學、等離激元光學等領域研究的科技人員的參考書。

作者簡介

王佳，清華大學精密儀器係教授。研究領域包括：納米光學與近場光學理論與數值仿真、掃描近場光學顯微鏡（SNOM）原理及係統、SNOM在單分子探測（SMD）及生命科學中的應用、近場光學高密度數據存儲、近場光譜學和近場拉曼光譜儀器係統、激光光鉗與近場光鉗原理與係統、近場光學納米微粒操作、近場光學虛擬光探針、納米尺度光學特徵的探測與錶徵、基於納米結構等離子增強的納米光學材料與器件、納米技術與納米計量學、掃描探針顯微術，生物醫學光學等。

目錄

基礎篇

第一章 近場光學發展史

§1.1 近場光學和近場光學顯微鏡發展簡史

§1.2 近場光學理論研究

§1.3 近場光學最近的發展

§1.4 本章小結

第二章 近場光學原理

§2.1 近場光學原理發展概況

§2.2 從“光學遠場”到“光學近場”

§2.3 不確定性原理（uncertainty principle）的解釋

§2.4 角譜（平麵波展開）方法的解釋

§2.5 錶麵（納米）結構與隱失場

§2.6 近場光學探測原理

§2.7 近場光學中的互易定理

§2.8 等離激元光學基本原理

§2.9 本章小結

第三章 光學天綫原理

§3.1 引言

§3.2 光學天綫基礎（介紹）

§3.3 光學天綫的研究模型及方法

§3.4 光學天綫的應用

§3.5 本章小結

第四章 近場光學探針

§4.1 近場光學探針是近場光學顯微鏡的核心器件

§4.2 近場光學探針的原理

§4.3 近場光學探針的種類

§4.4 探針與基片間的相互作用

§4.5 近場光學探針的應用

§4.6 本章小結

第五章 近場光學顯微鏡係統

§5.1 近場光學顯微鏡測量係統

§5.2 近場光學顯微鏡的基本結構

§5.3 近場光學顯微鏡的工作模式和掃描模式

§5.4 掃描管與掃描颱

§5.5 間距測控—剪切力模式與輕敲模式

§5.7 近場光學顯微鏡的分類

§5.8 本章小結

第六章 孔徑型近場光學顯微鏡

§6.1 孔徑型SNOM的原理

§6.2 孔徑型SNOM儀器係統

§6.3 間距測控模式

§6.4 照明模式與集光模式

§6.5 孔徑型SNOM的分辨率

§6.6 孔徑探針使用中的問題

§6.7 孔徑型SNOM係統

§6.8 孔徑型SNOM的應用

§6.9 本章小結

第七章 散射型近場光學顯微鏡

§7.1 散射型SNOM的原理

§7.2 散射型SNOM儀器係統

§7.3 探針測量中的增強效應

§7.4 散射型SNOM的對比度和分辨率

§7.5 散射背景噪聲的抑製

§7.6 散射型探針使用中的問題

§7.7 散射型SNOM的應用

§7.8 本章小結

測量篇

第八章 納米光場參數測量

§8.1 納米光場多參數測量的概念

§8.2 測量原理與方法

§8.3 測量係統與功能探針

§8.4 本章小結

第九章 強度測量與超分辨光學成像

§9.1 光場（電場）強度測量

§9.2 超衍射分辨光學成像

§9.3 納米光場強度分布測量

§9.4 聚焦徑嚮偏振光場測量

§9.5 大範圍SNOM成像

§9.6 提高SNOM成像分辨率

§9.7 近場光學圖像的解釋

§9.8 本章小結

第十章 振幅/相位測量

§10.1 納米光場振幅/相位測量發展

§10.2 近場探測和探針外差乾涉技術

§10.3 幾種典型的光場相位測量方法

§10.4 一些改進型的相位測量方法

§10.5 本章小結

第十一章 矢量場測量

§11.1 引言

§11.2 矢量場測量基礎

§11.3 單一電場分量測量

§11.4 麵內電場的偏振測量

§11.5 縱嚮及麵內電場的偏振測量

§11.6 全矢量場測量

§11.7 本章小結

第十二章 光頻磁場測量

§12.1 光頻磁場的間接測量

§12.2 光頻磁場的直接測量

§12.3 基於互易定理的電磁場測量方法

§12.4 本章小結

第十三章 近場光譜測量

§13.1 近場光譜術

§13.2 近場光譜測量係統基本結構

§13.3 光譜成像

§13.4 近場光譜測量

§13.5 近場空間超分辨光譜

§13.6 本章小結

應用篇

第十四章 探針增強光譜術

§14.1 傳統光譜術與“探針光譜術”

§14.2 拉曼散射與拉曼光譜術

§14.3 近場光譜與“探針光譜”概念

§14.4 探針增強拉曼光譜術（TERS）的發展

§14.5 TERS探測原理

§14.6 TERS測量係統

§14.7 TERS的其他關鍵技術

§14.8 TERS測量係統的評價

§14.9 TERS的應用

§14.10 本章小結

第十五章 納米光源測量

§15.1 有源納米光源—小孔激光器

§15.2 等離激元納米光源

§15.3 本章小結

第十六章 等離基元光學器件的測量

§16.1 超透鏡成像測量

§16.2 SPP波導器件測量

§16.3 聚焦原理與聚焦器件測量

§16.4 SPP分光和反射器件測量

§16.5 納米光學天綫測量

§16.6 阿基米德螺綫型光學天綫

§16.7 超穎材料和超穎錶麵

§16.8 石墨烯單層增強隱失場測量

§16.9 納米棱鏡測量

§16.10 SPP迴路測量

§16.11 本章小結

第十七章 納米光學矢量場測量

§17.1 相位測量在納米光學中的應用

§17.2. 相位測量在等離激元光學器件上的應用

§17.3. 相位測量在局域錶麵等離激元(LSP)器件上的應用

§17.4.相位測量在空間光場傳播特性中的應用

§17.5. 相位奇異點與光和物質相互作用

§17.6 矢量場測量在光子晶體器件上的應用

§17.7 矢量場測量在SPP器件上的應用

§17.8 矢量場測量在光學天綫器件上的應用

§17.9 矢量場測量在光場錶徵中的其他應用

§17.10 光頻磁場測量的應用

§17.11 本章小結

第十八章 結束語

前言/序言

前言

1959年美國物理學傢Richard P. Feynman曾發錶瞭著名的演說“在底層還有許多空間(There is plenty of room at the bottom)”，被譽為“納米科學的開山之作”。Feynman在演講中指齣，如果人們將一微米的長度分割成納米的片斷，即十億分之一米。人們能夠想象有多少片斷和多少空間是能夠進行操作的？經典光學和量子光學能夠解釋從宇宙到光子的物理現象，但是處於納米尺度（國際上定義為1～100nm），即介觀尺度卻是空白。近場光學和納米光學的發展正好填補瞭這個空白。當光與物質的相互作用進入納米尺度時，産生瞭許多人們意想不到的奇異現象。後來科學的發展充分證明瞭費曼的論斷是多麼富於科學的洞察力。它不僅引起瞭科學傢極大的興趣和關注，而且引發瞭人們對納米科學技術發展前景的希望和憧憬。

人們總想看清楚更小更細微的物體，光學顯微鏡是最好的工具。但是當進入納米領域，由於受到衍射極限的限製，傳統光學顯微鏡難以勝任。長期以來，突破光學衍射極限是科學傢麵對的挑戰，實現超光學分辨成像是科學傢的夢想。近場光學方法的齣現和發展不僅突破瞭光學衍射極限，而且實現瞭超衍射分辨率的光學成像，更為科學傢們揭示納米尺度上認識光與物質的相互作用提供瞭一個全新的技術。

近場光學(near-field optics)是相對傳統光學，遠場光學(far-field optics)而言的。納米光學(nano-optics)則是研究納米尺度光的物理現象。納米光子學(nano-photonics)更多強調與納米光子學器件有關。近場光學和納米光學研究在納米尺度下被約束在物體錶麵波長距離內的光學現象及納米尺度下光與物質的相互作用，是新型交叉學科。研究對象包括隱失光場、局域光場，基於隱失場的探測實現超衍射極限分辨光學成像等。進而發展探測、錶徵、操作納米光場的方法和技術。

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