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最重要的工具之一。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。本书还介绍纳米光学测量的新原理和新方法，并针对纳米光学、等离激元光学研究中的实验测量问题引用了国内外大量最新研究成果和实例，阐述了应用前景。
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目录
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基 础 篇
第1章近场光学发展史3
1.1近场光学和近场光学显微镜的发展简史3
1.1.1最初的动机——突破衍射极限3
1.1.2基本概念的提出4
1.1.3实验证明4
1.1.4超分辨成像的实现5
1.1.5表面等离激元和SERS6
1.1.6现代近场光学显微镜6
1.1.7PSTM与外差探测方法8
1.1.8真实图像与虚假图像10
1.1.9近场散射与场增强10
1.1.10近场光学与光学天线11
1.2近场光学理论研究12
1.3近场光学最近的发展14
1.4本章小结15
参考文献15
第2章近场光学原理23
2.1近场光学原理发展概况24
2.2从“光学远场”到“光学近场”25
2.3不确定性原理的解释27
2.4角谱（平面波展开）方法的解释29
2.5表面（纳米）结构与隐失场30
2.5.1全反射与隐失场30
2.5.2精细结构与隐失场32
2.6近场光学探测原理34
2.6.1近场光学探测机理34
2.6.2Courjon的模型34
2.6.3近场探测的核心问题36
2.7近场光学中的互易定理37
2.7.1互易定理的定义38
2.7.2互易定理在近场光学中的应用形式39
2.7.3互易定理在近场光学中的研究进展41
2.8等离激元光学基本原理42
2.8.1金属中自由电子的谐振模型42
2.8.2SPP定义43
2.8.3SPP的激发条件与方式43
2.8.4SPP的传播和损耗46
2.8.5局域表面等离激元47
2.9本章小结49
参考文献50
第3章光学天线52
3.1引言52
3.2光学天线基础52
3.2.1光学天线及相关物理量的定义53
3.2.2光学天线的常见形式55
3.2.3光学天线的研究内容58
3.3光学天线的研究模型及方法59
3.3.1经验式F-P共振模型59
3.3.2纳米等效电路模型62
3.3.3电流积分模型66
3.4光学天线的应用68
3.4.1光学天线在光发射中的应用69
3.4.2光学天线在纳米成像中的应用71
3.4.3光学天线的共振调节应用73
3.5本章小结75
参考文献76
第4章近场光学探针79
4.1近场光学探针是光学显微镜的核心器件79
4.2近场光学探针的原理79
4.2.1探针与光学分辨率80
4.2.2探针与成像质量80
4.2.3探针类型决定了间距控制方式和系统工作模式81
4.3近场光学探针的种类81
4.3.1介质探针81
4.3.2孔径型探针83
4.3.3散射型近场光学探针91
4.3.4等离激元探针97
4.3.5单分子探针和微粒功能探针103
4.3.6其他功能探针104
4.4探针与基片间的相互作用105
4.5近场光学探针的应用105
4.6本章小结106
参考文献106
第5章近场光学显微镜系统110
5.1近场光学显微镜测量系统110
5.2近场光学显微镜的基本结构110
5.2.1光源和聚焦耦合系统111
5.2.2光纤孔径探针或无孔径探针112
5.2.3探针/样品间距测控与驱动系统112
5.2.4样品扫描台和探针扫描头112
5.2.5集光系统113
5.2.6光电探测与视频监测系统113
5.2.7数据图像处理系统114
5.3近场光学显微镜的工作模式和扫描模式114
5.3.1工作模式114
5.3.2扫描模式116
5.3.3几种对比度机制118
5.3.4光学分辨率极限119
5.4扫描管与扫描台120
5.4.1扫描管120
5.4.2扫描台122
5.5间距测控——剪切力模式与轻敲模式123
5.5.1剪切力模式123
5.5.2法向力轻敲模式126
5.6多参数照明与矢量光束照明128
5.6.1多参数照明128
5.6.2矢量光束及特性130
5.6.3矢量光束的产生132
5.6.4矢量光束聚焦136
5.6.5纵向光场照明激发139
5.7近场光学显微镜的分类140
5.7.1扫描近场光学显微镜141
5.7.2光子扫描隧道显微镜141
5.7.3孔径型近场显微镜142
5.7.4散射型近场显微镜142
5.7.5其他类型近场显微镜143
5.8本章小结143
参考文献144
第6章孔径型近场光学显微镜147
6.1孔径型SNOM的原理148
6.1.1裸光纤探针的矢量响应特性148
6.1.2镀铝膜孔径探针的矢量响应特性149
6.2孔径型近场光学显微镜仪器系统151
6.3间距测控模式152
6.4照明模式与集光模式152
6.5孔径型近场光学显微镜的分辨率153
6.6孔径探针使用中的问题154
6.7孔径型近场光学显微镜系统155
6.7.1近场光学显微镜的位移控制155
6.7.2近场光学显微镜与近场光学成像156
6.8孔径型近场光学显微镜的应用159
6.8.1超分辨成像159
6.8.2近场光谱学159
6.8.3近场光刻160
6.8.4纳米光场多参数测量160
6.8.5其他应用161
6.9本章小结161
参考文献161
第7章散射型近场光学显微镜164
7.1散射型SNOM的原理164
7.1.1散射型SNOM系统及工作原理165
7.1.2散射型探针模型及矢量响应特性166
7.2散射型SNOM仪器系统170
7.2.1距离控制方法170
7.2.2照明激发与散射信号收集171
7.2.3信号处理与图像重构172
7.3探针测量中的增强效应174
7.3.1局域表面等离激元共振效应174
7.3.2避雷针效应176
7.3.3镜像偶极子效应——间隙模式与微腔模式177
7.3.4电场梯度增强效应179
7.4散射型SNOM的对比度和分辨率182
7.5散射背景噪声的抑制182
7.6散射型探针使用中的问题184
7.7散射型SNOM的应用185
7.7.1近场光谱测量185
7.7.2近场光场多参数测量185
7.7.3新颖低维材料表征186
7.8本章小结188
参考文献188
测 量 篇
第8章纳米光场参数测量195
8.1纳米光场多参数测量的概念195
8.2测量原理与方法196
8.2.1光强测量197
8.2.2相位振幅测量197
8.2.3偏振矢量测量197
8.2.4光频磁场测量198
8.2.5光谱测量199
8.3测量系统与功能探针199
8.3.1测量系统199
8.3.2功能探针200
8.4本章小结201
参考文献202
第9章强度测量与超分辨光学成像203
9.1光场（电场）强度测量203
9.2超衍射分辨光学成像204
9.3纳米光场强度分布测量208
9.4聚焦径向偏振光场测量210
9.5大范围SNOM成像212
9.6提高SNOM成像分辨率214
9.7近场光学图像的解释216
9.8本章小结217
参考文献218
第10章振幅/相位测量219
10.1纳米光场振幅/相位测量发展220
10.2近场探测和探针外差干涉技术221
10.2.1光学探针外差干涉方法221
10.3几种典型的光场相位测量方法223
10.3.1孔径型探针外差干涉系统223
10.3.2锁相放大器的相位解调原理224
10.3.3散射型探针外差干涉系统225
10.3.4散射型伪外差干涉系统228
10.3.5散射型相移干涉测量系统229
10.3.6利用CCD相移干涉成像230
10.4一些改进型的相位测量方法231
10.4.1空间域和时域追踪相位测量系统231
10.4.2实时相位漂移误差补偿测量方法233
10.5本章小结234
参考文献234
第11章矢量场测量237
11.1引言237
11.2矢量场测量基础238
11.2.1纳米光场矢量特点及偏振描述238
11.2.2矢量场测量发展及原理244
11.3单一电场分量测量247
11.3.1纵向分量测量248
11.3.2面内分量测量251
11.4面内电场的偏振测量251
11.4.1探针外差干涉测量251
11.4.2探针多外差干涉测量252
11.5纵向及面内电场的偏振测量255
11.5.1伪外差干涉椭偏术255
11.5.2旋转偏振片椭偏术257
11.5.3散射型功能探针制备261
11.6全矢量场偏振测量262
11.6.1组合系统的直接测量262
11.6.2数值计算的间接测量263
11.6.3荧光分子探针测量264
11.7本章小结266
参考文献267
第12章光频磁场测量270
12.1光频磁场的间接测量271
12.1.1基于矢量巴比涅原理的测量方法271
12.1.2基于法拉第电磁定律的测量方法273
12.2光频磁场的直接测量276
12.2.1开口环功能探针测量方法276
12.2.2Bethe小孔功能探针测量方法279
12.2.3中空金字塔功能探针测量方法282
12.2.4孔径探针微扰理论测量方法284
12.3 基于互易定理的电磁场测量方法289
12.4本章小结292
参考文献292
第13章近场光谱测量296
13.1 近场光谱术297
13.1.1 近场光谱术的发展297
13.1.2 近场光谱的特点300
13.2 近场光谱测量系统基本结构302
13.2.1 基于孔径探针的近场光谱系统302
13.2.2 基于散射探针的近场光谱系统302
13.2.3探针增强光谱术302
13.2.4近场拉曼光谱TERS系统测量304
13.3光谱成像304
13.3.1近场光谱成像305
13.3.2光谱识别与形貌对应分析309
13.4近场光谱测量应用310
13.4.1吸收谱310
13.4.2光致发光荧光激发谱310
13.4.3拉曼光谱311
13.4.4 光致发光光谱312
13.4.5瞬态（时间分辨）光谱313
13.4.6单分子光谱315
13.5近场空间超分辨光谱318
13.6本章小结319
参考文献319
应 用 篇
第14章探针增强光谱术325
14.1传统光谱术与“探针光谱术”325
14.2拉曼散射与拉曼光谱术326
14.3近场光谱与“探针光谱”概念330
14.4探针增强拉曼光谱术的发展331
14.5TERS探测原理332
14.5.1TERS测量系统的基本结构335
14.5.2照明激发与光束优化337
14.5.3 受激照明TERS方法346
14.5.4间距测控与扫描模式348
14.5.5Mapping测量349
14.6TERS的其他关键技术350
14.6.1TERS探针350
14.6.2测量系统的稳定性353
14.7TERS测量系统的评价353
14.7.1空间分辨率354
14.7.2对比度和增强因子355
14.7.3光谱像与光谱识别357
14.7.4纳米局域光谱数据与纳米形貌数据的对应分析359
14.7.5 TERS探测的限制因素359
14.8TERS的应用363
14.8.1化学与单分子检测364
14.8.2纳米材料检测366
14.8.3生物样品探测373
14.8.4纳米几何尺寸和应力测量373
14.8.5探针增强CARS光谱测量378
14.8.6高真空超低温和液体环境下的测量383
14.9本章小结383
参考文献384
第15章纳米光源测量393
15.1有源纳米光源——小孔激光器393
15.2等离激元纳米光源397
15.3本章小结402
参考文献402
第16章等离激元光学器件测量404
16.1超透镜成像测量405
16.2SPP波导器件测量407
16.2.1一维SPP波导407
16.2.2锥形透射线聚焦波导410
16.2.3圆柱台链SPP结构411
16.3聚焦原理与聚焦器件测量413
16.3.1一维SPP结构聚焦与束流413
16.3.2SPP牛眼结构416
16.3.3孔阵列SPP聚焦器件418
16.3.4半弧、多重弧结构SPP聚焦器件419
16.3.5对称半圆弧结构、对称性破缺结构420
16.3.6中心对称环分布孔径阵列结构421
16.3.7径向偏振光照明聚焦422
16.4SPP分光与反射器件测量423
16.5纳米光学天线测量426
16.6阿基米德螺线型光学天线431
16.7超构材料和超构表面439
16.8石墨烯单层增强隐失场测量443
16.9纳米棱镜测量445
16.10SPP回路测量446
16.11本章小结447
参考文献448
第17章纳米光学矢量场测量453
17.1相位测量在微纳集成光学中的应用454
17.1.1隐失场测量454
17.1.2波导模式与传播特性研究456
17.1.3波导泄漏与光场传输457
17.2相位测量在等离激元光学器件上的应用458
17.2.1SPP面内聚焦器件459
17.2.2SPP干涉460
17.3相位测量在局域表面等离激元器件上的应用462
17.3.1Fano共振传感器462
17.3.2镍纳米光学天线464
17.4相位测量在空间光场传播特性中的应用467
17.4.1超构材料与涡旋光场467
17.4.2空间光场传播特性判断470
17.5相位奇异点与光和物质的相互作用471
17.6矢量场测量在光子晶体器件上的应用473
17.6.1光子晶体微腔的偏振分布474
17.6.2光子晶体波导的偏振奇异点476
17.7矢量场测量在SPP器件上的应用478
17.7.1纳米狭缝衍射场偏振分布478
17.7.2纳米线阵列器件耦合场分布480
17.8矢量场测量在光学天线器件上的应用482
17.8.1纳米光源近场偏振分布483
17.8.2Bow-tie光学天线偏振分布485
17.8.3全电介质光学天线偏振分布487
17.9矢量场测量在光场表征中的其他应用489
17.9.1全内反射隐失波驻波场测量490
17.9.2聚焦径向偏振光场测量491
17.9.3近场圆二色性测量493
17.10光频磁场测量的应用495
17.10.1光子晶体微腔模式测量496
17.10.2光学天线器件共振模式测量496
17.10.3纳米颗粒共振特性测量497
17.10.4聚焦径向偏振光的磁场分布测量500
17.11本章小结500
参考文献502
结束语507
主要名词术语索引509
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