近場光學顯微系統(SNOM)簡介

如果原子是構成生命體最基本的粒子，那麼顯微術就是被寄予可以窺 測生命如何運作的偉大工具。在十六世紀時，光學放大僅靠單一凸透鏡即 可完成，也因為這簡單的構想，開啟了後續光學顯微鏡的發展。

一八七三年，德國物理學家 Ernst Abbe 提出，當觀察者在遠場的範圍 中（即遠大於一個量測波長的距離時）觀察物體時，光學的空間側向解析 度會被光的波動性質所造成的干涉與繞射現象所限制住，所以在傳統光學 顯微鏡中僅能獲得約半個波長（λ/2）的空間解析度，大約數百奈米左右，

此即為空間解析度極限[5]。

根據 Rayleigh Criterion，觀察物體時兩物體之間的距離必須要大於 0.61λ/（N.A.），這兩個物體才可以被解析出來，其中λ為波長， N.A.

（numerical aperture） 為數值口徑，如圖 2-2 所示，當兩個物體分開很遠 時，這兩個物體的光學影像分布可以輕易的被分辨出來，但若當第一個繞 射影像光強最大值落在第二個繞射影像的第一極小值時，此時將無法分辨 出這兩個物體的光學影像分布，稱為光學的繞射極限。

圖 2-2 Rayleigh 準則。

由於光在真空中行進時，根據色散公式:

圖 2-3 Synge 提出近場光學可超越繞射極限的方法。

除此之外，Synge 更指出基本上繞射定律並非電磁波之基本性質，而 是遠場光學的結果，因此只要能夠縮短激發源的波長以及增加物鏡的數值 口徑即可增加其空間解析度。根據這個想法，Synge 提出了使用狹小的孔 徑作為顯微鏡於近場光學之量測，這樣一來便可以打破繞射極限的限制。

如果我們想要得到較高的光學系統解析度，則必須有較小的空間侷限 大小，從式(5)中得知，動量的不準度應該要愈大愈好。

當 x 與 y 方向的動量超過波向量 k 值，則 z 方向的動量為虛數。此時 x 與 y 方向的動量將不受式(5)的限制，kx、k_y的不準度大於 k。此時 x 與 y 平面的解析度將會超越繞射極限。

在這邊我們需要特別注意的是，z 軸方向的動量為虛數，如果我們將 z 方向的光以平面波表示，如式(6) 所示。z 方向的強度會隨著距離的增加呈

指數遞減，此即為消散波(evanescence wave)的特性。

exp(іkzz) = exp(|kz|z) (6)

消散波（evanescent wave）為一侷限在表面的波，若用遠場的方式觀 測，則在偵測到消散波之前，光已經產生繞射的現象，如此一來便無法分 辨出其中所包含的空間資訊[6]。

一九九二年，美國 AT&T 實驗室的 Eric Betzig 及羅徹斯特理工學院的 Mehdi Vaez-Iravani，分別提出以剪力顯微鏡（Shear Force Microscope，SFM）

的技術作為近場光學顯微儀的 Z 軸回饋(feedback)控制，將探針和樣品之間 的距離精準控制在近場量測範圍內，利用精密定位與掃描探測的技術，進 行近場光學掃描。

光纖探針將操作在距離樣品約 10 nm 的範圍來做量測，如圖 2-4 所示。

雷射從針尖輸出後激發樣品，使樣品產生光激螢光訊號[7]。樣品表面的消 散波與針尖耦合後，經由光纖傳輸到光譜儀分析。藉此得到高解析度的光 學影像。

圖 2-4 近場光纖探針收集消散波之示意圖。