色散介质光子扫描隧道显微镜成像的数值模拟

论文摘要

扫描近场光学显微镜(SNOM)是八十年代发展起来的亚波长量级的扫描探针型显微镜,能对纳米尺度的样品成像,且具有光学观察无损探测的特点,可观察活的生物样品,保持细胞活性,在透明材料,生物、医学研究中都有应用。 光子扫描隧道显微镜(PSTM)是其中的一种,在PSTM的物理模型中,平行入射的激光束以超过全内反射临界角为入射角照射样品台,在样品表面上方将产生隐失波。当光纤探头进入样品表面隐失波区域时产生扰动,将产生光子隧道效应,即探针尖将隐失场光耦合入光纤,转换为可传输光被收集,从而获得携带样品表面形貌和光学性质的信息。 整个过程涉及到光纤探针和样品的散射场相互作用,使得过程分析非常复杂,有必要进行数值模拟。其中,时域有限差分法是各种数值模拟方法中相对简捷有效的方法,在近场光学数值模拟中有着广泛的应用。目前主要应用于扫描近场光学显微镜,在光子扫描隧道显微镜中的应用还有一定的局限,尤其是有色散介质探针的PSTM成像数值模拟,很少有文献深入讨论。 探针形状各种参数的优化在扫描隧道显微镜的分辨率的提高中起关键作用。为了研究不同光纤探针类型的光子扫描隧道显微镜的成像特征,在课题组以前研究的基础上,本文引入了色散介质Drude模型,考虑探针和样品的相互作用,用三维时域有限差分法模拟了探针距离尖项一定高度截面处的玻印亭矢量分布。所研究的探针类型包括不镀膜光纤探针、尖端带金属颗粒光纤探针、镀膜孔径光纤探针以及镀膜尖端带金属颗粒光纤探针。此外,还分析了不同参数变化对成像分辨率和灵敏度的影响,得出了一些有意义的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 近场光学显微镜简介
• 1.1 近场光学
• 1.2 近场光学显微镜成像技术现状
• 1.3 近场光学显微镜的基本结构
• 1.4 几种典型的近场光学显微镜
• 1.4.1 扫描近场光学显微镜（SNOM）
• 1.4.2 原子力显微镜（AFM）
• 1.4.3 光子扫描隧道显微镜（PSTM）
• 1.4.4 新一代AF／PSTM组合光学显微镜
• 参考文献
• 2 近场光学理论分析方法简介
• 2.1 微扰法
• 2.2 多重多极子法
• 2.3 格林函数法
• 2.4 有限元法
• 2.5 时域有限差分法（FDTD）
• 参考文献
• 3 时域有限差分法及其相关技术
• 3.1 Yee氏网格
• 3.2 Maxwell方程及其FDTD形式
• 3.2.1 非色散介质下的FDTD方程
• 3.2.2 色散介质下的FDTD方程—递归卷积方法
• 3.3 吸收边界条件
• 3.3.1 Mur边界条件
• 3.3.2 Liao氏边界条件
• 3.3.3 完全匹配层边界条件
• 3.4 入射波的设置
• 3.4.1 时谐场源
• 3.4.2 脉冲源
• 3.4.3 等效入射波法
• 3.5 亚网格技术
• 参考文献
• 4 国内外时域有限差分法在近场光学显微镜中的应用概述
• 4.1 扫描近场光学显微镜成像的时域有限差分法研究
• 4.1.1 SNOM光纤和样品相互作用的研究
• 4.1.2 SNOM探针形状对成像影响的分析
• 4.2 光子扫描隧道显微镜的数值模拟研究
• 4.2.1 等效入射波法FDTD分析PSTM
• 4.2.2 玻璃，空气和平面探针三层模式的2D-FDTD模拟
• 4.2.3 光子扫描隧道显微镜球形样品二维近场强度分析
• 参考文献
• 5 色散介质FDTD在PSTM成像模拟中的应用
• 5.1 数值模拟所用模型
• 5.1.1 Drude模型的引进
• 5.1.2 计算所用物理模型和参数
• 5.2 PSTM成像的二维FDTD数值模拟
• 5.2.1 不镀膜光纤探针扫描成象分析
• 5.2.2 带菱形金尖光纤探针扫描成象分析
• 5.2.3 镀膜孔径光纤探针扫描成象分析
• 5.2.4全镀膜光纤探针扫描成象分析
• 5.2.5 结论
• 5.3 三维带金尖光纤探针PSTM扫描成像数值模拟
• 5.3.1 物理模型和基本参数设定
• 5.3.2 带金尖光纤探针与不带金尖光纤探针结果比较
• 5.3.3 探针尖端金属颗粒大小对成像的影响
• 5.3.4 光纤与样品间距的改变对成像的影响
• 5.3.5 入射角对成像的影响
• 5.3.6 不同类型尖端金属微粒成像结果的比较
• 5.3.7 结果讨论
• 5.4 镀银膜孔径探针PSTM扫描成像的三维数值模拟
• 5.4.1 物理模型以及基本参数
• 5.4.2 不同形状镀膜探针扫描成像结果比较
• 5.4.3 光纤探针尖参数变化对成像的影响
• 5.4.4 结果分析
• 5.5 新型光纤尖扫描情况数值模拟
• 5.5.1 物理模型和相关参数设定
• 5.5.2 三种光纤探针扫描结果比较
• 5.5.3 探针参数变化对成像的影响
• 5.3.4 光纤内部等高线分布图
• 参考文献
• 结论
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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