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光子扫描隧道显微镜(PSTM)是扫描探针显微镜(SPM)的一种,利用光学探针探测样品表面隐失波携带的超高频空间信息,突破衍射极限的限制,能对纳米尺度的样品成像,且具有光学观察无损探测的特点,可观察活的生物样品,保持细胞活性,在透明材料、生物、医学研究中都有应用。 影响PSTM成像分辨率和通光效率的因素有很多,光纤探针作为提取近场信息的部件起着关键作用;入射光的极化特性也能够明显的影响成像质量;此外与探针与样品间的距离控制以及入射光的角度等都有关系。运用数值模拟可以方便有效的分析以上因素,从理论上对近场成像过程有更清楚地认识,本论文即是围绕这个目的展开。 本论文的主要内容与结果为: 首先,在本课题组已有成果的基础上,尝试在PSTM中应用带铝的光纤探针来提高成像质量。采用二维时域有限差分法(FDTD)模拟计算了裸光纤、尖端镀铝颗粒光纤、孔径镀铝膜光纤和全镀铝膜光纤探针的成像,结果显示:金属纳米粒子或薄膜在可见光的激励下产生表面增强效应,采用带铝探针后的灵敏度均比裸光纤提高两个数量级;尖端镀铝颗粒光纤探针的分辨率可优于20nm;全镀铝膜和孔径镀铝膜光纤探针的分辨率分别可达到20nm和60nm。 其次,采用三维FDTD模拟计算了PSTM系统中的介质和银质金属样品在p偏振和s偏振模式光源下的近场强度分布。样品为复杂不对称“PSTM”字样,通过计算样品上方5nm处的近场强度分布可以看出:对介质样品,p偏振波能较好的反映样品的形貌,这是由入射电场的方向决定的;银质金属有表面增强作用,对不同偏振波均能在某种程度上反映样品的形貌。 最后,为解决FDTD中存在较大数值色散的问题,尝试采用非标准时域有限差分法(NS-FDTD)。它能够在二阶差分水平下比FDTD的数值色散降低10~4。论文给出了适用于求解近场散射强度的公式,并初步应用于近场多样品散射和PSTM系统中多样品散射。