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Microscope optique à champ proche



Introduction à l'arrière-plan

Le microscope optique traditionnel (c'est-à-dire le microscope optique à champ lointain) est le membre le plus ancien de la famille des microscopes. C'était autrefois le seul moyen d'observer de minuscules structures. Les microscopes optiques traditionnels sont composés de lentilles optiques, qui utilisent des changements d'indice de réfraction et des changements de courbure de la lentille pour agrandir l'objet observé afin d'obtenir des informations détaillées. Cependant, la limite de diffraction de la lumière limite l'amélioration supplémentaire de la résolution du microscope optique. Selon la limite de résolution de Rayleigh, le grossissement d'un microscope optique ne peut pas être augmenté arbitrairement. Le critère de Rayleigh est basé sur l'hypothèse de propagation des ondes. S'il peut détecter des ondes évanescentes qui transportent des informations détaillées sur les objets, le critère de Rayleigh peut être contourné et la limite de diffraction peut être brisée.

L'optique en champ proche n'est pas seulement un moyen optique efficace pour briser la limite de diffraction, c'est un nouveau sujet interdisciplinaire dans le domaine de l'optique qui a émergé avec l'avancement de la science et de la technologie dans l'espace de petite taille et de faible dimension. Son objet de recherche C'est un phénomène optique à une longueur d'onde (plusieurs nanomètres) de la surface de l'objet. La microscopie optique en champ proche est un nouveau type de technologie d'imagerie microscopique à ultra haute résolution, qui est le produit de la combinaison de la technologie des sondes et de la technologie de la microscopie optique, et constitue une partie importante de l'optique en champ proche.

L'imagerie optique en champ proche est différente de l'optique classique. Elle implique des théories et des phénomènes optiques dans une gamme de longueurs d'onde. La zone dite de "champ proche" contient : (l) champ rayonné : composantes de champ qui peuvent être transmises vers l'extérieur ; (2) champ sans rayonnement : composantes du champ qui sont confinées à la surface de l'échantillon et se désintègrent rapidement à distance. Étant donné que l'onde de champ proche incarne les changements transitoires de la discontinuité des propriétés optiques spatiales lorsque la lumière se propage, la structure de sous-longueur d'onde et les informations optiques de l'échantillon peuvent être détectées en détectant l'onde évanescente de l'échantillon. Ces dernières années, la microscopie optique en champ proche a réalisé des développements révolutionnaires en théorie et en pratique.

Parce que les photons ont des propriétés spéciales, telles que l'absence de masse, la neutralité électrique, une longueur d'onde relativement longue (par rapport aux électrons), des caractéristiques de polarisation faciles à modifier, peuvent se propager dans l'air et de nombreux matériaux diélectriques, etc. , l'optique de champ proche joue un rôle qui les autres microscopes à effet tunnel et les microscopes à force atomique ne peuvent pas remplacer les observations à l'échelle nanométrique, ce qui a déclenché des microscopes optiques en champ proche dans l'imagerie optique à l'échelle nanométrique, le micro-traitement optique et la lithographie à l'échelle nanométrique et le stockage d'informations à ultra-haute densité. , Et une série d'études telles que l'observation in-situ et dynamique d'échantillons biologiques. Dans ce domaine, un autre nouveau développement est la combinaison de la technologie optique en champ proche avec la spectroscopie en champ proche et la résolution temporelle. Les gens peuvent non seulement distinguer une seule molécule, mais également obtenir le spectre de fluorescence émis par une seule molécule et les informations du système mésoscopique combinées à une résolution temporelle (10-15s). Dans le même temps, de nouvelles questions théoriques sur les caractéristiques de résolution, de contraste, de polarisation et de propagation de la lumière dans des conditions de champ proche sont également soulevées.

Le principe du microscope optique en champ proche

Les microscopes optiques traditionnels sont composés de lentilles optiques, qui peuvent grossir des objets jusqu'à plusieurs milliers de fois pour observer les détails. En raison de l'effet de diffraction des ondes lumineuses, le grossissement peut être augmenté à l'infini. C'est impossible, car il rencontrera l'obstacle de la limite de diffraction des ondes lumineuses, et la résolution des microscopes optiques traditionnels ne peut pas dépasser la moitié de la longueur d'onde de la lumière. Par exemple, en utilisant la lumière verte avec une longueur d'onde de =400 nm comme source lumineuse, seuls deux objets avec une distance de 200 nm peuvent être résolus. Dans les applications pratiques, >400nm, la résolution est plus faible. C'est parce que l'observation optique générale est à une position éloignée de l'objet (>>λ).

Basés sur le principe de la détection et de l'imagerie de champ sans rayonnement, les microscopes optiques en champ proche peuvent dépasser la limite de diffraction des microscopes optiques ordinaires et peuvent effectuer des études d'imagerie optique à l'échelle nanométrique et de spectroscopie à l'échelle nanométrique à une résolution optique ultra-élevée. .

Le microscope optique en champ proche se compose de sondes, de dispositifs de transmission de signaux, de systèmes de contrôle de balayage, de traitement du signal et de retour de signal. Le principe de génération et de détection de champ proche : la lumière incidente éclaire les objets avec de nombreuses structures minuscules à la surface. Sous l'action du champ lumineux incident, les ondes réfléchies générées par ces structures fines comprennent des ondes évanescentes confinées à la surface de l'objet et se propagent au loin. La vague qui se propage à l'endroit. Les ondes évanescentes proviennent de structures fines dans les objets (objets plus petits que la longueur d'onde). L'onde qui se propage provient de la structure grossière de l'objet (l'objet plus grand que la longueur d'onde), qui ne contient aucune information sur la structure fine de l'objet. Si un très petit centre de diffusion est utilisé comme nanodétecteur (comme une sonde) et placé suffisamment près de la surface de l'objet, l'onde évanescente sera excitée pour la faire briller à nouveau. La lumière générée par cette excitation contient également des ondes évanescentes indétectables et des ondes de propagation qui peuvent se propager à une distance pour la détection. Ce processus termine la détection en champ proche. La conversion entre le champ évanescent et le champ de propagation est linéaire, et le champ de propagation reflète avec précision le changement du champ évanescent. Si un centre de diffusion est utilisé pour balayer la surface de l'objet, une image bidimensionnelle peut être obtenue. Selon le principe de réciprocité, les rôles de la source lumineuse d'éclairage et du nano détecteur sont intervertis, et la nano source lumineuse (champ évanescent) est utilisée pour éclairer l'échantillon. En raison de l'effet de diffusion de la structure fine de l'objet sur le champ d'éclairage, l'onde évanescente est convertie en une onde distante. Les résultats des ondes de propagation détectées sont exactement les mêmes.

La microscopie optique en champ proche est une imagerie numérique par balayage et enregistrement point par point sur la surface de l'échantillon par une sonde. La figure 1 est un schéma du principe d'imagerie d'un microscope optique en champ proche. La méthode d'approximation grossière xyz de la figure permet d'ajuster la distance entre la sonde et l'échantillon avec une précision de quelques dizaines de nanomètres ; tandis que le balayage xy et le contrôle z peuvent contrôler le balayage de la sonde et le suivi de la rétroaction dans la direction z avec une précision de 1 nm. Le laser incident dans l'image est introduit dans la sonde à travers une fibre optique, et l'état de polarisation de la lumière incidente peut être modifié selon les besoins. Lorsque le laser incident irradie l'échantillon, le détecteur peut collecter séparément le signal de transmission et le signal de réflexion modulé par l'échantillon, qui sont amplifiés par le tube photomultiplicateur, puis directement collectés par l'ordinateur après la conversion analogique-numérique ou entrer le spectromètre à travers le système spectroscopique pour obtenir les informations sur le spectre. Le contrôle du système, l'acquisition des données, l'affichage des images et le traitement des données sont tous effectués par l'ordinateur. Il ressort du processus d'imagerie ci-dessus que le microscope optique en champ proche peut collecter 3 types d'informations en même temps, à savoir la topographie de surface de l'échantillon, le signal optique en champ proche et le signal spectral.

Composants d'un microscope optique en champ proche

Objectif

Le composant central d'un microscope optique en champ proche est un dispositif à petit trou avec une ouverture plus petite que la longueur d'onde, comme une sonde à fibre, son ouverture géométrique est similaire à l'ouverture numérique d'un objectif de microscope. Lorsque la distance entre la sonde à fibre et l'échantillon éclairé est certaine, la taille de l'ouverture transparente de la sonde optique joue un rôle clé dans la résolution du microscope optique en champ proche. Pour les microscopes optiques en champ proche, afin d'obtenir une résolution plus élevée, d'une part, le faisceau lumineux traversant la sonde optique doit être restreint autant que possible dans la direction latérale ; d'autre part, le flux lumineux traversant la zone restreinte doit être le plus important possible. Pour améliorer le rapport signal sur bruit.

Mesure et contrôle de la distance entre la sonde et l'échantillon

Le microscope optique à champ proche utilise une lumière de champ proche hautement localisée de niveau nanométrique pour obtenir la topographie de l'objet, ce qui nécessite l'utilisation d'une technologie de balayage point par point de grille pour obtenir la topographie de l'échantillon. Pendant le processus de numérisation, un problème très critique est que la distance entre la sonde et l'échantillon doit être contrôlée dans l'échelle du champ proche (quelques nanomètres à des dizaines de nanomètres) et maintenir une certaine valeur constante. Par conséquent, la mesure et le contrôle précis de la distance entre la sonde et l'échantillon sont une partie très importante du microscope optique en champ proche. Jusqu'à présent, plusieurs technologies de mesure et de contrôle pour contrôler la distance entre la sonde et l'échantillon ont été développées, telles que : la technologie de mesure et de contrôle de l'intensité de la force de cisaillement, la technologie de mesure et de contrôle par contact, la technologie de mesure et de contrôle de l'intensité du courant tunnel, et technologie de mesure et de contrôle de l'intensité lumineuse sur le terrain.

Chemin de lumière

Le chemin lumineux est un autre composant structurel principal du microscope optique à champ proche, qui comprend principalement la source lumineuse et le chemin lumineux d'éclairage ainsi que le chemin lumineux de collecte et le détecteur de lumière.

Application du microscope optique en champ proche

Parce que le microscope optique à champ proche peut surmonter les inconvénients du microscope optique traditionnel à faible résolution et du microscope électronique à balayage et des dommages causés par le microscope à effet tunnel aux échantillons biologiques, il a donc été largement utilisé, en particulier dans les domaines de la biomédecine, des nanomatériaux et de la microélectronique, et est devenu un moyen optique pour explorer les mystères des activités des macromolécules biologiques, apportant de puissantes armes expérimentales aux biologistes. En utilisant la microscopie optique en champ proche, nous avons commencé à travailler dans de nombreux domaines impliqués dans la recherche en biologie, non seulement l'observation et la recherche d'images statiques, telles que la mitose cellulaire, la résolution chromosomique et la fluorescence locale, l'ADN in situ, le séquençage d'ARN, le gène reconnaissance, etc., ainsi que des recherches utilisant le processus dynamique d'observation de l'apparence de l'image dans le temps.

Applications de recherche biologique

En raison des caractéristiques des photons, la microscopie optique en champ proche présente de nombreux avantages en recherche biologique :

(1) Au-delà de la limite de diffraction optique La résolution peut même atteindre le niveau sub-nanométrique ;

(2) La technologie de microscopie optique est non invasive et peut être observée et étudiée dans l'environnement naturel des organismes ;

(3) Capacité à observer l'absorption, la réflexion, la fluorescence, le contraste de polarisation et à voir à travers les propriétés optiques internes des échantillons biologiques ;

(4) Analyse par spectroscopie, à haute résolution pour les états chimiques ;

(5) Interaction entre la lumière locale (de niveau nanométrique) et l'échantillon ;

(6) Sensibilité d'observation au niveau d'une molécule unique, 1 photon/sec ;

(7) résolution spatiale nanométrique, haute résolution temporelle (femtoseconde);

(8) Il peut fonctionner à température ambiante.

Application de la technologie microélectronique

Le cœur des technologies de l'information est le stockage à haute densité d'informations. Parce que le microscope optique en champ proche a de faibles exigences pour les conditions environnementales et la base de technologie de disque optique mature existante, il est devenu un concurrent sérieux de diverses technologies de stockage d'informations à haute densité en champ proche. L'amélioration de la densité de stockage de l'information est un enjeu majeur de grande préoccupation pour la recherche scientifique et l'industrie. Les méthodes actuelles de lecture et d'écriture optiques et magnéto-optiques utilisent la technologie du champ lointain. En raison de la limitation de la limite de diffraction, la taille du spot de lecture et d'écriture est contrôlée à environ 1 mm, la densité de stockage est d'environ 55 Mbit/cm2, et une longueur d'onde laser plus courte est utilisée. La densité de stockage n'est pas beaucoup améliorée. Le développement de l'optique de champ proche fournit un nouveau principe. Étant donné que les microscopes optiques à champ proche à balayage peuvent franchir la limite de diffraction, la densité de stockage est considérablement améliorée.

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