Nguyên lý của kính hiển vi quang học trường gần
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) khỏi đối tượng.
Dựa trên nguyên tắc phát hiện và chụp ảnh của trường không bức xạ, kính hiển vi quang học trường gần có thể vượt qua giới hạn nhiễu xạ của kính hiển vi quang học thông thường và tiến hành nghiên cứu quang phổ và hình ảnh quang học có kích thước nano ở độ phân giải quang học cực cao.
Kính hiển vi quang học trường gần bao gồm đầu dò, thiết bị truyền tín hiệu, điều khiển quét, xử lý tín hiệu và hệ thống phản hồi tín hiệu. Nguyên lý tạo và phát hiện trường gần: Ánh sáng tới chiếu vào vật thể có nhiều cấu trúc nhỏ và mịn trên bề mặt. Những cấu trúc tinh tế này dưới tác dụng của trường ánh sáng tới sẽ tạo ra sóng phản xạ bao gồm sóng biến mất giới hạn ở bề mặt vật thể và sóng truyền đi về phía xa. Sóng phù du đến từ các cấu trúc tinh tế bên trong vật thể (vật thể nhỏ hơn bước sóng). Sóng truyền đến từ các cấu trúc thô trong vật thể (vật thể lớn hơn bước sóng), không chứa bất kỳ thông tin nào về cấu trúc tinh tế của vật thể. Nếu một trung tâm tán xạ rất nhỏ được sử dụng làm máy dò nano (chẳng hạn như đầu dò) và đặt đủ gần bề mặt của vật thể, sóng phù du sẽ bị kích thích, khiến nó phát ra ánh sáng trở lại. Ánh sáng được tạo ra bởi sự kích thích này cũng bao gồm các sóng biến mất không thể phát hiện được và các sóng lan truyền có thể truyền đến vùng phát hiện ở xa, hoàn thành quá trình phát hiện trường gần. Sự chuyển đổi giữa trường phù du và trường lan truyền là tuyến tính và trường lan truyền phản ánh chính xác những thay đổi trong trường tiềm ẩn. Nếu sử dụng tâm tán xạ để quét bề mặt của vật thể thì có thể thu được hình ảnh hai chiều. Theo nguyên lý đảo ngược lẫn nhau, sự tương tác giữa nguồn sáng chiếu xạ và máy dò nano được hoán đổi và mẫu được chiếu xạ bằng nguồn ánh sáng nano (trường phù du). Do hiệu ứng tán xạ của cấu trúc tinh tế của vật thể so với trường phát xạ, sóng biến dạng được chuyển thành sóng lan truyền có thể phát hiện được ở khoảng cách xa và kết quả hoàn toàn giống nhau.
Kính hiển vi quang học trường gần là một kỹ thuật hình ảnh kỹ thuật số bao gồm việc quét và ghi lại từng điểm thăm dò trên bề mặt mẫu. Hình 1 là sơ đồ nguyên lý tạo ảnh của kính hiển vi quang học trường gần. Phương pháp xấp xỉ thô xyz trên hình có thể điều chỉnh khoảng cách giữa đầu dò và mẫu với độ chính xác hàng chục nanomet; Quét xy và điều khiển z có thể điều khiển quá trình quét đầu dò và phản hồi hướng z với độ chính xác 1nm. Tia laser tới trong hình được đưa vào đầu dò thông qua sợi quang và có thể thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng tới theo yêu cầu. Khi tia laser tới chiếu xạ mẫu, máy dò có thể thu thập riêng biệt tín hiệu truyền và tín hiệu phản xạ được điều chế bởi mẫu, được khuếch đại bằng ống nhân quang. Sau đó, chúng được chuyển đổi trực tiếp từ analog sang kỹ thuật số và được máy tính thu thập hoặc đưa vào máy quang phổ thông qua hệ thống quang phổ để thu được thông tin quang phổ. Việc điều khiển hệ thống, thu thập dữ liệu, hiển thị hình ảnh và xử lý dữ liệu đều được thực hiện bằng máy tính. Từ quá trình chụp ảnh trên, có thể thấy rằng kính hiển vi quang học trường gần có thể thu thập đồng thời ba loại thông tin, đó là hình thái bề mặt của mẫu, tín hiệu quang học trường gần và tín hiệu quang phổ.
