内容简介

扫描近场光学显微镜能够突破光学衍射极限实现超分辨成像，因此成为纳米光学测量中较重要的工具之一。本书首先对近场光学的基本概念和探测原理进行了概述，然后对近场光学显微镜的分类、工作原理、功能模块、关键技术、性能指标等进行了阐述。纳米光学测量在纳米光子学和等离激元光学研究中有诸多重要的应用，包括近场光学超分辨成像、纳米尺度光场振幅、相位、矢量场、磁场、偏振、光谱等物理参数的测量表征。本书还介绍了纳米光学测量的新原理和新方法，并针对纳米子光学、等离激元光学研究中的实验测量问题引用了国内外大量较新研究成果和实例，阐述了应用前景。

本书可供物理、光学等相关专业的高年级大学生和研究生阅读，也可作为从事近场光学、纳米光子学、等离激元光学等领域研究的科技人员的参考书。

作者简介

王佳，清华大学精密仪器系教授。研究领域包括：纳米光学与近场光学理论与数值仿真、扫描近场光学显微镜（SNOM）原理及系统、SNOM在单分子探测（SMD）及生命科学中的应用、近场光学高密度数据存储、近场光谱学和近场拉曼光谱仪器系统、激光光钳与近场光钳原理与系统、近场光学纳米微粒操作、近场光学虚拟光探针、纳米尺度光学特征的探测与表征、基于纳米结构等离子增强的纳米光学材料与器件、纳米技术与纳米计量学、扫描探针显微术，生物医学光学等。

目录

基础篇

第一章 近场光学发展史

§1.1 近场光学和近场光学显微镜发展简史

§1.2 近场光学理论研究

§1.3 近场光学最近的发展

§1.4 本章小结

第二章 近场光学原理

§2.1 近场光学原理发展概况

§2.2 从“光学远场”到“光学近场”

§2.3 不确定性原理（uncertainty principle）的解释

§2.4 角谱（平面波展开）方法的解释

§2.5 表面（纳米）结构与隐失场

§2.6 近场光学探测原理

§2.7 近场光学中的互易定理

§2.8 等离激元光学基本原理

§2.9 本章小结

第三章 光学天线原理

§3.1 引言

§3.2 光学天线基础（介绍）

§3.3 光学天线的研究模型及方法

§3.4 光学天线的应用

§3.5 本章小结

第四章 近场光学探针

§4.1 近场光学探针是近场光学显微镜的核心器件

§4.2 近场光学探针的原理

§4.3 近场光学探针的种类

§4.4 探针与基片间的相互作用

§4.5 近场光学探针的应用

§4.6 本章小结

第五章 近场光学显微镜系统

§5.1 近场光学显微镜测量系统

§5.2 近场光学显微镜的基本结构

§5.3 近场光学显微镜的工作模式和扫描模式

§5.4 扫描管与扫描台

§5.5 间距测控—剪切力模式与轻敲模式

§5.7 近场光学显微镜的分类

§5.8 本章小结

第六章 孔径型近场光学显微镜

§6.1 孔径型SNOM的原理

§6.2 孔径型SNOM仪器系统

§6.3 间距测控模式

§6.4 照明模式与集光模式

§6.5 孔径型SNOM的分辨率

§6.6 孔径探针使用中的问题

§6.7 孔径型SNOM系统

§6.8 孔径型SNOM的应用

§6.9 本章小结

第七章 散射型近场光学显微镜

§7.1 散射型SNOM的原理

§7.2 散射型SNOM仪器系统

§7.3 探针测量中的增强效应

§7.4 散射型SNOM的对比度和分辨率

§7.5 散射背景噪声的抑制

§7.6 散射型探针使用中的问题

§7.7 散射型SNOM的应用

§7.8 本章小结

测量篇

第八章 纳米光场参数测量

§8.1 纳米光场多参数测量的概念

§8.2 测量原理与方法

§8.3 测量系统与功能探针

§8.4 本章小结

第九章 强度测量与超分辨光学成像

§9.1 光场（电场）强度测量

§9.2 超衍射分辨光学成像

§9.3 纳米光场强度分布测量

§9.4 聚焦径向偏振光场测量

§9.5 大范围SNOM成像

§9.6 提高SNOM成像分辨率

§9.7 近场光学图像的解释

§9.8 本章小结

第十章 振幅/相位测量

§10.1 纳米光场振幅/相位测量发展

§10.2 近场探测和探针外差干涉技术

§10.3 几种典型的光场相位测量方法

§10.4 一些改进型的相位测量方法

§10.5 本章小结

第十一章 矢量场测量

§11.1 引言

§11.2 矢量场测量基础

§11.3 单一电场分量测量

§11.4 面内电场的偏振测量

§11.5 纵向及面内电场的偏振测量

§11.6 全矢量场测量

§11.7 本章小结

第十二章 光频磁场测量

§12.1 光频磁场的间接测量

§12.2 光频磁场的直接测量

§12.3 基于互易定理的电磁场测量方法

§12.4 本章小结

第十三章 近场光谱测量

§13.1 近场光谱术

§13.2 近场光谱测量系统基本结构

§13.3 光谱成像

§13.4 近场光谱测量

§13.5 近场空间超分辨光谱

§13.6 本章小结

应用篇

第十四章 探针增强光谱术

§14.1 传统光谱术与“探针光谱术”

§14.2 拉曼散射与拉曼光谱术

§14.3 近场光谱与“探针光谱”概念

§14.4 探针增强拉曼光谱术（TERS）的发展

§14.5 TERS探测原理

§14.6 TERS测量系统

§14.7 TERS的其他关键技术

§14.8 TERS测量系统的评价

§14.9 TERS的应用

§14.10 本章小结

第十五章 纳米光源测量

§15.1 有源纳米光源—小孔激光器

§15.2 等离激元纳米光源

§15.3 本章小结

第十六章 等离基元光学器件的测量

§16.1 超透镜成像测量

§16.2 SPP波导器件测量

§16.3 聚焦原理与聚焦器件测量

§16.4 SPP分光和反射器件测量

§16.5 纳米光学天线测量

§16.6 阿基米德螺线型光学天线

§16.7 超颖材料和超颖表面

§16.8 石墨烯单层增强隐失场测量

§16.9 纳米棱镜测量

§16.10 SPP回路测量

§16.11 本章小结

第十七章 纳米光学矢量场测量

§17.1 相位测量在纳米光学中的应用

§17.2. 相位测量在等离激元光学器件上的应用

§17.3. 相位测量在局域表面等离激元(LSP)器件上的应用

§17.4.相位测量在空间光场传播特性中的应用

§17.5. 相位奇异点与光和物质相互作用

§17.6 矢量场测量在光子晶体器件上的应用

§17.7 矢量场测量在SPP器件上的应用

§17.8 矢量场测量在光学天线器件上的应用

§17.9 矢量场测量在光场表征中的其他应用

§17.10 光频磁场测量的应用

§17.11 本章小结

第十八章 结束语

前言/序言

前言

1959年美国物理学家Richard P. Feynman曾发表了著名的演说“在底层还有许多空间(There is plenty of room at the bottom)”，被誉为“纳米科学的开山之作”。Feynman在演讲中指出，如果人们将一微米的长度分割成纳米的片断，即十亿分之一米。人们能够想象有多少片断和多少空间是能够进行操作的？经典光学和量子光学能够解释从宇宙到光子的物理现象，但是处于纳米尺度（国际上定义为1～100nm），即介观尺度却是空白。近场光学和纳米光学的发展正好填补了这个空白。当光与物质的相互作用进入纳米尺度时，产生了许多人们意想不到的奇异现象。后来科学的发展充分证明了费曼的论断是多么富于科学的洞察力。它不仅引起了科学家极大的兴趣和关注，而且引发了人们对纳米科学技术发展前景的希望和憧憬。

人们总想看清楚更小更细微的物体，光学显微镜是最好的工具。但是当进入纳米领域，由于受到衍射极限的限制，传统光学显微镜难以胜任。长期以来，突破光学衍射极限是科学家面对的挑战，实现超光学分辨成像是科学家的梦想。近场光学方法的出现和发展不仅突破了光学衍射极限，而且实现了超衍射分辨率的光学成像，更为科学家们揭示纳米尺度上认识光与物质的相互作用提供了一个全新的技术。

近场光学(near-field optics)是相对传统光学，远场光学(far-field optics)而言的。纳米光学(nano-optics)则是研究纳米尺度光的物理现象。纳米光子学(nano-photonics)更多强调与纳米光子学器件有关。近场光学和纳米光学研究在纳米尺度下被约束在物体表面波长距离内的光学现象及纳米尺度下光与物质的相互作用，是新型交叉学科。研究对象包括隐失光场、局域光场，基于隐失场的探测实现超衍射极限分辨光学成像等。进而发展探测、表征、操作纳米光场的方法和技术。

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