近场光学显微镜
定义
近场光学显微镜指把亚波长尺寸的探针置入样品表面约一个波长以内的区域，收集该区域内的光信号并逐点扫描、组装成图像的一类光学仪器[3]。其常见英文名称有 scanning near-field optical microscope 与 near-field scanning optical microscope，分别缩写为 SNOM 和 NSOM[4]。
它区别于常规光学显微镜之处，在于承担成像任务的不是物镜，而是尖端远小于光波长的光学探针[4]。按探针结构，近场光学显微术主要分为以微小孔径通光的孔径式(a-SNOM)与以金属针尖散射场成像的散射式(s-SNOM)两条技术路径[3]。
原理
物体表面外侧的光场可分为两部分：一部分可以自由传播到远处，构成远场；另一部分依附于表面，强度随离开表面的距离增大而急剧衰减，不能在自由空间传播，被称为隐失波(evanescent wave)[4]。常规显微镜头只能接收远场中传播的分量，样品更精细的高频空间信息随隐失波一同被丢弃[3]。
近场显微镜把探针送入隐失场范围内，通过孔径或针尖散射把隐失波转换为可探测的传播光，再逐点记录强度，因此图像的一个像素对应探针所在的一个纳米级位置[1]。远场成像分辨率受制于 $\lambda/(2\mathrm{NA})$，而近场成像的分辨能力主要由探针孔径尺寸或针尖曲率半径决定，在原理上不再受该式约束[2]。
探针与样品间距通常需要维持在纳米量级并保持恒定，常用剪切力或音叉振动阻尼等非接触反馈方式实现，以避免探针与表面直接接触[5]。孔径式探针的通光率大致与孔径直径和波长的比值的四次方成正比，孔径越小，可收集的信号越弱[5]。
发展历程
1928 年，爱尔兰科学家爱德华·辛格(Edward Hutchinson Synge)提出用远小于波长的孔径贴近样品、按纳米步长扫描并记录透射光强的设想，被视为近场光学显微镜的原理起点[6]。受当时微纳加工、精密位移与微弱光探测条件的限制，这一方案长期停留在纸面[1]。
1970 年前后，Ash 与 Nicholls 在微波波段实现了基于近场概念的二维成像，验证了超衍射分辨的可行性[4]。进入 20 世纪 80 年代，扫描隧道显微技术带来的纳米级间距控制手段使光学频段的近场成像成为可能，相关研究随之展开[1]。
1984 年，研究人员用铝膜包覆的化学蚀刻石英探针做出孔径式近场光学显微镜，分辨率约 20 纳米；其后金属膜包覆光纤探针把分辨率推进到约 12 纳米[3]。20 世纪 90 年代以后散射式技术逐渐成熟，1998 年以后红外波段的散射式近场显微镜得到发展并走向商业化[3]。
应用
近场光学显微镜主要用于探测纳米尺度的界面光响应，兼具成像与局域光谱分析能力，仪器形态目前已相对稳定并出现商业化产品[3]。其应用覆盖光学、凝聚态物理、化学、生物学与材料学等方向[3]。
在具体研究中，散射式近场探针的场增强效应可用于单个分子的拉曼光谱成像；近场显微镜也被用于观察二维材料异质结中的光学负折射现象，以及双折射晶体中的极化激元传播行为[3]。此外，近场光学还被用于高密度光存储与近场局域光谱等方向的研究[7]。
局限
近场成像要求探针与样品间距远小于波长，间距越小分辨率越高，但图像也越容易被间距起伏带来的形貌衬度干扰，光学信息与形貌信息往往混杂，缺少先验知识时难以区分[8]。探针对待测光场本身构成扰动，所得信号同时包含样品与探针的信息[9]。
分辨率与信号强度之间存在制约：孔径式探针孔径缩小会显著削弱通光率，信噪比随之下降，成像速度受到限制，难以记录活体样品的动态过程[5]。散射式与针尖增强拉曼等技术虽把分辨率提高到 10 至 20 纳米量级，却仍受复杂散射背景与低耦合效率的困扰[10]。
近场成像需逐点扫描，视场小、耗时长；同时探针易损耗，对具有大深宽比的复杂表面结构测量存在较多限制，整体应用广度不及原子力显微镜[11]。
参见
参考资料
- 专题：电磁波衍射极限 [引用日期2026-10-29]
- Beyond the diffraction limit [引用日期2026-10-29]
- 【中国科学报】突破衍射极限，还看“近场光学” [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-近场光学 - 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们 [引用日期2026-10-29]
- authors [引用日期2026-10-29]
- 书评和书讯 [引用日期2026-10-29]
- {{custom_sec.title}} [引用日期2026-10-29]
- S0304399197000661 [引用日期2026-10-29]
- Near field microscopy and near field optics(PDF) [引用日期2026-10-29]
- 第44卷 第10期/2024年5月/光学学报 [引用日期2026-10-29]
- 近场光学显微镜发展综述 [引用日期2026-10-29]