近场光学原理简介
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单原子分子测控的进展
徐春凯 陈向军 徐克尊
(
中国科学技术大学选键化学开放实验室、原子分子物理实验室 ,合肥 230027
)
摘 要 :
单原子分子测控是近年来发展起来的实验技术 ,其操作对象是单个的原子或分
子 。完整的单原子分子测控包含了对单原子分子的成像 、识别 、操纵和组合分解四个方面 。
本文分别对这四个方面进行了系统综述 ,介绍了国内外相关技术的发展和现状 ,并对其未来
做了展望 。
单原子分子的成像
1. 1 微观成像技术的发展
在实空间对一个物体的结构观测和成像是人类一直追求的目标之一。人的眼睛的空
间分辨约为 0. 1 mm ,藉助光学显微镜 ,受衍射极限的限制 ,最高空间分辨近似为
λ
/ 2 ,对
可见光约为 0. 2
μ
m。现在经过特殊努力 , 在近场情况下
[ 1 ]
, 空间分辨已经能够达到 2
nm。为了观测更微小的物体 ,必须利用波长更短的波作为光源。例如 ,用 X 射线衍射方
法测量各种晶体的结构。除了 X 射线外 ,由于电子具有波动性 , 根据德布罗意关系 , 50
keV 能量的电子的波长为 0. 00536 nm ,远小于可见光波长 ,因而电子显微镜可以得到更
好的空间分辨。自 1933 年鲁斯卡
(
N. Ruska
)
首先研制成功以来 ,目前空间分辨已做到
0. 2 nm ,可以清楚地看到病毒和细胞、晶体结构等 ,在生物、医学、物理、化学、地质、冶金
等各方面获得了广泛的应用。但是所有的衍射手段都不是对样品的实空间进行直接观
测 ,只能从衍射信息反推间接地得到样品的结构。
1937 年 , E. W. Muller 发明场电子显微镜
(
FEM
)
[ 2 ]
。将样品制成针尖形状作为阴极 ,
以涂有荧光物质的球形玻壳
(
半径 R
)
作为阳极。针尖顶端可近似看成半径为
r 的球 ,它
与阳极球同心 ,这样在针尖上加负电压使之发射场发射电子 ,就可以在阳极的荧光屏上得
到相应的场发射图象。由于场发射电流密度取决于针尖顶端表面的场强
(
它与形貌有
关
)
,因此荧光屏上所得到的场发射图象就反映了针尖顶端的形貌情况 ,其分辨率近似为
R/ r 。1951 年 , E. W. Muller 又在场电子显微镜的基础上利用场电离原理研制成功场离
子显微镜
(
FIM
)
,使空间分辨率达到原子级水平
[ 3 ]
。FIM 的原理与 FEM 近似 ,只是成像
的不是场电子 ,而是被场电离的气体离子。
散射是一种物理现象，而不是物理特性。物体表面不均匀导致入射光线经过表面反射后发向各个方向，这样的现象统称为散射。
而衍射是波的一种物理特性。光（也可以是波）在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。
散射是由于反射这种物理特性遇到不均匀反射表面产生的物理现象。而衍射是波所固有的物理特性。
09-04-09 | 添加评论
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散射是一种物理现象，而不是物理特性。物体表面不均匀导致入射光线经过表面反射后发向各个方向，这样的现象统称为散射。
而衍射是波的一种物理特性。光（也可以是波）在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。
散射是由于反射这种物理特性遇到不均匀反射表面产生的物理现象。而衍射是波所固有的物理特性。
09-09-12 | 添加评论 而衍射是波的一种物理特性。光（也可以是波）在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。
散射是由于反射这种物理特性遇到不均匀反射表面产生的物理现象。而衍射是波所固有的物理特性。
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衍射极限是指一个理想点物经光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个以像点为中心的夫朗和费衍射像。因为一般光学系统的口径都是圆形，夫朗和费衍射像就是所谓的艾里斑。这样每个物点的像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨率越低。这个限制是物理光学的限制，是由光的衍射造成的，跟成像系统的像差没有关心，就是没像差衍射极限依然存在。衍射极限限制了系统的分辨率。
10-03-22 | 添加评论
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衍射极限是指一个理想点物经光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个以像点为中心的夫朗和费衍射像。因为一般光学系统的口径都是圆形，夫朗和费衍射像就是所谓的艾里斑。这样每个物点的像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样就限制了系统的分辨率，这个斑越大，分辨率越低。这个限制是物理光学的限制，是由光的衍射造成的，跟成像系统的像差没有关心，就是没像差衍射极限依然存在。衍射极限限制了系统的分辨率。
1、圆孔的夫朗和费衍射：
根据几何光学，平行光经过球面凸透镜后将会聚于透镜焦平面上一点。但实际上，由于光的波动性，平行光经过小圆孔后也会产生衍射现象，称为圆孔的夫朗和费衍射。圆孔的夫朗和费衍射图样为一个圆形的亮斑（称为爱里斑），在爱里斑的周围还有一组明暗相间的同心圆环。由于光学仪器中所用的孔径光阑、透镜的边框等都相当于一个透光的圆孔，所以圆孔的夫朗和费衍射对光学系统的成像质量有直接影响。
爱里斑光强约占总光强的84% 。而其1级暗环的角宽度（即爱里斑半角宽度）满足
式中R、D为小圆孔的半径和直径。
2、光学仪器的分辨本领：
由于圆孔衍射现象的限制，光学仪器的分辨能力有一个最高的极限。下面通过光学仪器分辨本领的讨论，说明为什么有一个分辨极限，并给出分辨极限的大小。
当两个物点S1、S2很靠近时（设S1、S2光强相等），两个爱里斑将互相重叠而无法分辨。
对一个光学仪器来说，若一个点光源产生的爱里斑的中央刚好与另一个点光源产生的爱里斑瑞的1级暗环相重合，这时两个爱里斑重合部分的光强约为单个爱里斑中央光强的80%左右，一般人眼刚好能分辨出这是两个光点的像。因此，满足上述条件的两个点光源恰好能被该光学仪器所分辨。这一条件称为瑞利分辨判据。（见下图）
恰能分辨时两光源发出的光线对透镜光心的夹角Δθ 称为最小分辨角，用δθ表示。由上讨论可知，最小分辨角δθ等于爱里斑的半角宽度θ1：
尤其当θ1 ~ 0时，最小分辨角又可近似表示为
最小分辨角的倒数称为光学系统的分辨本领（或称分辨率），用R表示：
讨论：
⑴ 增大透镜的直径D可提高镜头的分辨率。光学天文望远镜的镜头孔径可达数米！
⑵ 设r、d为爱里斑的半径和直径，则：
即： 
称为镜头的相对孔径（越大越好）。
如照相机镜头上所标示的
字样，即表示镜头的焦距
，而镜头的孔径
。
字样，即表示镜头的焦距，而镜头的孔径。
⑶ 由分辨本领的定义，要提高光学仪器的分辨率，除了增大镜头孔径外，还可通过减小入射光波长来实现。近代物理指出：电子也有波动性。高能电子的波长可短至10–1~ 10–2nm 。所以电子显微镜的最小分辨距离可达几个nm，放大率可达几万倍乃至几百万倍，远高于光学显微镜。
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