CN111337711B - 基于调制自由电子的扫描近场光学显微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于调制自由电子的扫描近场光学显微镜，属于扫描近场光学显微镜。该显微镜包括电子枪、扫描近场光学显微镜，电子枪产生谐波形式的近场信号，该近场信号在样品处激发样品上的各阶近场信号和远场信号；探测器探测到被探针散射的各阶近场信号和远场信号，通过分离远场信号和近场信号，得到最终的扫描结果。本发明利用调制自由电子代替原有的外部光源，通过对自由电子进行调制，取代原有针尖振动所起的调制作用，提升信号转化效率、信噪比，同时因为不再需要针尖进行抖动，避免了因其抖动可能产生的近场信号和成像的不良影响，最终达到增强近场信号强度和近场成像质量的效果，具有深远的实用意义。

Description

基于调制自由电子的扫描近场光学显微镜
技术领域
本发明属于扫描近场光学显微镜(SNOM)，尤其是工作频率位于太赫兹频段(0.1-10THz)的散射式扫描近场光学显微镜(s-SNOM)。
背景技术
扫描近场光学显微镜因其超分辨成像能力，在中红外频段至可见光频段已取得了巨大的研究成果，在新型材料分析、等离子体激元(Plasmonics)检测和生物医学成像、光电子学器件等领域取得了迅速发展，研究学者们利用其超分辨特性观察到了许多独特的物理现象，如新型二维材料中的各种激元，各种生物大分子的中红外频段谐振特性。随着技术的不断进步，近年来工作频率位于太赫兹频段的扫描近场光学显微镜也已经出现并不断发展。
作为众多扫描探针显微镜(SPM)[Scanning Probe Microscopy:The Lab on aTip.Springer Science&Business Media,(2003)]中的一种，扫描近场光学显微镜(SNOM)[AppliedPhysics Letters,1984,44(7):651-653.]是基于扫描隧道显微镜(STM)[Physical Review Letters,1982,49(1):57.]和原子力显微镜(AFM)[Physical ReviewLetters,1986,56(9):930.]发展而来的，用于突破光学分辨率的成像设备。近年来，由于SNOM能够克服光学成像的衍射极限分辨率，既能够实现纳米级分辨率成像，还可用于探索物质和结构的频谱特性，成为国际上研究的热点。根据其测量原理的不同，大致上可以将SNOM分为两大类：一是基于孔径式的SNOM，即a-SNOM[Nature,1972,237(5357):510.]，二是基于散射式的SNOM，即s-SNOM[Philosophical Transactions of the Royal Society ofLondon.Series A:Mathematical,Physical and Engineering Sciences 362.1817(2004):787-805.]。其中，由于s-SNOM的探针尖端可以加工至纳米尺度，其分辨率只由针尖尺寸决定，能够对微纳结构进行探测，其研究和应用逐渐增多。经过长期的发展，s-SNOM的性能逐步完善，其具有极高的空间分辨率(一般为10-20nm，由针尖尖端曲率半径决定，与照射光源的波长完全无关)，目前可以实现：从太赫兹频段到可见光频段内的测量；区分不同的偏振态以及完成时间分辨的测量；同时记录场强的幅值和相位等功能。[Nature,2012,487(7405):82.],[Nature,2012,487(7405):77.]这些特性在各种实际场景中得到广泛应用。但当其应用于某些特殊频段时，如红外太赫兹频段(频率较低)时，由于系统信噪比相对较低，还未取得广泛应用，存在一定的提升空间。在原有的散射式扫描近场光学显微镜中，外部入射光源在扫描近场光学显微镜纳米针尖的振动调谐下实现远场信号和近场信号的分离，进而得到较为纯净的近场信号，可用于此后的进一步分析。但这种信号提取方式依赖于针尖本身的谐振特性，存在信号耦合和针尖自身对近场信号的影响等问题。
发明内容
本发明提出利用调制自由电子代替原有扫描近场光学显微镜的外部光源，通过控制自由电子的产生，对自由电子进行调制，可以取代原有扫描近场光学显微镜中针尖振动所起的调制作用。由于自由电子产生的场本身就为近场，所以这个近场与针尖的信号耦合转化效率会高于原有的外部光源和针尖的耦合，从而提高系统散射信号中近场信号的功率，提升系统的信噪比，在不提升辐射源和检测器的性能的情况下，增强各频段扫描近场光学显微镜的性能和近场成像质量。同时通过对自由电子进行调制，不再需要针尖进行抖动，避免了因其抖动可能产生的近场信号和成像的不良影响，具有深远的实用意义。是一种全新机制的扫描近场光学显微镜。
本发明采用技术方案如下：
一种基于调制自由电子的扫描近场光学显微镜，包括电子枪、扫描近场光学显微镜，所述电子枪用于发射电子束，同时所述电子枪本身具有的调制模块能够对电子束进行调制，调制过后的电子束可以产生谐波形式的近场信号，这些谐波形式的近场信号在被扫描样品处激发样品上的各阶近场信号和远场信号，其频率也呈现谐波形式。扫描近场光学显微镜的探测器探测到被探针散射的各阶近场信号和远场信号，通过分离远场信号和近场信号，得到特定频段或频率点的近场信号，得到最终的扫描结果。
进一步地，根据实际需要，通过控制电子枪产生的电子束的能量、重频、脉宽等，能够确定谐波信号的幅值大小、谐波周期及频率范围。所述频率范围为0.1-30THz。
本发明对电子枪产生的电子束进行调制，对自由电子的能量、重频、脉宽等参数进行约束和控制，这三个参数是决定电子束产生的近场信号的工作频率的基本控制量，且使得自由电子产生的场具有谐波形式，当这些谐波形式的近场信号入射到样品表面时，就可以激发起样品表面的各阶近场信号，然后可以通过扫描近场光学显微镜进行探测。由于是利用自由电子产生的近场激发样品的近场，无论是耦合效率还是近场信号的强度都会得到很大的提升。
综上所述，我们提出利用调制自由电子的方式增强扫描近场光学显微镜近场信号，使调制自由电子代替原有扫描近场光学显微镜的外部光源以及针尖的振动调制，提升信号转化效率、信噪比，最终达到增强近场信号强度和近场成像质量的效果。实现这一物理现象，能够有效提高扫描近场光学显微镜近场成像的质量，更好的分辨出各物质在近场下的特性差异。国际上利用这一机理的扫描近场光学显微镜还未出现，本发明可以突破当前扫描近场光学显微镜发展的一些瓶颈，这对科研人员研究各种物质和结构的近场特性具有深远意义，对诸如等离激元学，超分辨率成像，新型太赫兹辐射源，生物传感等学科的发展起到积极作用。
附图说明
图1是本实施例的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。在图1中，电子枪产生的调制电子束(1)产生的谐波信号与扫描近场光学显微镜的纳米针尖(2)以及样品(3)相互作用，得到各阶近场信号和远场信号，其频率也呈现谐波形式。通过对比信号在频率上的差别，我们可以实现远场信号和近场信号的分离，经过远场信号和近场信号的分离之后，得到特定频段或频率点(如10THz)的近场信号，由于耦合效率较高和电子束所携带电场的功率很强，纳米针尖(2)所散射的样品表面的近场信号得到很大增强，有利于进行后续探测。同时，由于电子束本身经过调制后所形成的场具有谐波形式，本身具有各阶近场信号，所以不再需要纳米针尖通过针尖进行调制实现远场信号和近场信号的分离。其中电子束(1)的能量为30keV，纳米针尖(2)的尖端尺寸为30nm，样品(3)是如石墨烯、六角氮化硼(hBN)等任意可以支持表面近场的材料或结构。
本发明采用调制自由电子的方式代替原有扫描近场光学显微镜的外部光源以及针尖的振动调制，提升信号转化效率、信噪比，最终达到增强近场信号强度和近场成像质量的效果。

Claims (2)

1.一种基于调制自由电子的扫描近场光学显微镜，其特征在于，该基于调制自由电子的扫描近场光学显微镜包括电子枪、扫描近场光学显微镜，所述电子枪用于发射电子束，同时所述电子枪本身具有的调制模块能够对电子束进行调制，调制过后的电子束产生谐波形式的近场信号，这些谐波形式的近场信号在被扫描样品处激发样品上的各阶近场信号和远场信号，其频率也呈现谐波形式；扫描近场光学显微镜的探测器探测到被探针散射的各阶近场信号和远场信号，通过分离远场信号和近场信号，得到特定频段或频率点的近场信号，得到最终的扫描结果。
2.如权利要求1所述的一种基于调制自由电子的扫描近场光学显微镜，其特征在于，根据需要，通过控制电子枪产生的电子束的能量、重频、脉宽，能够确定电子束产生的谐波形式的近场信号的幅值大小、谐波周期及频率范围；所述频率范围为0.1-30THz。
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