突破衍射極限，還看“近場光學”

近年來，“近場光學技術(shù)”在國內(nèi)外得到廣泛關(guān)注。這是唯一一種不依賴熒光標記，又能突破衍射極限的光學顯微術(shù)。

不久前，以“多場條件超高分辨近場光學技術(shù)”為主題的香山科學會議第743次學術(shù)討論會在北京舉行。與會專家認為，近場光學技術(shù)具有適用性廣、寬光譜兼容、無損檢測、無須標記等獨特優(yōu)勢，在凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體器件、生物檢測、太赫茲技術(shù)等方面具有較大應(yīng)用潛力。

與會專家呼吁，我國應(yīng)聚集國內(nèi)近場光學科研力量，盡快推進這一領(lǐng)域的技術(shù)與理論發(fā)展，提升國際影響力。

百年設(shè)想成真

極小的物體被放大幾千倍，各種物質(zhì)的豐富細節(jié)徐徐展開，人類觀察自然界的視野得到極大拓寬——這是光學顯微鏡賦予人類的“超能力”。不過，無限提高放大倍數(shù)是不可能的。由于衍射效應(yīng)的存在，傳統(tǒng)光學顯微鏡的分辨率不能超過光波長的一半。這主要因為傳統(tǒng)光學顯微鏡僅僅收集和利用了物體的“遠場”光學信息，而攜帶樣品更加精細表面信息的“近場”隱失波沒能被探測和利用。

會議執(zhí)行主席之一、國家納米科學中心研究員戴慶介紹，在近百年的探索中，科學家認識到，為了突破衍射極限實現(xiàn)超高分辨率光學成像，物體的“近場”光學信息必須得到有效利用。1928年，著名物理學家愛因斯坦和愛爾蘭科學家辛祺分別提出了近場光學顯微鏡的兩種設(shè)計理念。不過，當時的技術(shù)條件不能滿足以納米級精度控制物體間距并實現(xiàn)橫向掃描的要求，他們的思想只能停留在紙面上。

“經(jīng)過近百年來幾代科研人的不懈努力，隨著掃描探針顯微術(shù)的興起，近場光學顯微術(shù)形成了孔徑式（a-SNOM）和散射式（s-SNOM）這兩條最重要的技術(shù)路徑，將兩位科學先驅(qū)的設(shè)想變成現(xiàn)實。”戴慶表示。

從實驗室到商業(yè)化

與會專家認為，近場光學技術(shù)不斷進步，主要得益于納米科學技術(shù)的發(fā)展。

1984年，科學家首先借助鋁膜包覆的化學蝕刻石英探針實現(xiàn)了孔徑式近場光學顯微鏡，分辨率達到20納米。幾年后，金屬薄膜包覆光纖探針的發(fā)明又使得分辨率進一步提高到12納米。

20世紀90年代以后，散射式近場光學顯微鏡逐步發(fā)展起來。特別是1998年以后，德國科學家凱爾曼開創(chuàng)了紅外波段散射式近場光學顯微鏡，并推動其實現(xiàn)了商業(yè)化。

戴慶指出：“如今，由于納米技術(shù)飛速發(fā)展，近場光學技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也進入了快車道?！?/p>

作為納米科學強有力的表征工具，近場光學顯微鏡在探測納米界面的光響應(yīng)方面具有獨特優(yōu)勢，目前其儀器形態(tài)已基本穩(wěn)定，出現(xiàn)了比較成功的商業(yè)化產(chǎn)品。

這些儀器在光學、凝聚態(tài)物理、化學、生物學、材料學等多個前沿科學領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。例如，中國科學技術(shù)大學董振超團隊利用散射式近場光學探針的場增強效應(yīng)實現(xiàn)了單個分子的拉曼光譜成像；國家納米科學中心戴慶團隊利用散射式近場光學顯微鏡發(fā)現(xiàn)了二維材料異質(zhì)結(jié)中的光學負折射效應(yīng)并實現(xiàn)其動態(tài)調(diào)控；華中科技大學李培寧團隊通過近場光學顯微鏡證明了雙折射晶體中存在“幽靈”極化激元電磁波。

與會專家認為，隨著研究進入原子尺度，量子效應(yīng)更加顯著，這一科學前沿對近場光學技術(shù)又提出了新的要求，應(yīng)著力加強近場光學技術(shù)與低溫、強磁場、強光場等多物理場的融合，使其滿足量子材料領(lǐng)域研究對高空間分辨光學表征及多物理場調(diào)控的需求。

學科發(fā)展倡議

在中國，近場光學研究起步晚但發(fā)展快，已逐漸形成了一支年輕、有活力的研究隊伍。1997年，北京大學物理學院教授朱星率先引進國內(nèi)第一臺孔徑式近場光學顯微鏡，不久后，他自主研制了國內(nèi)第一臺低溫孔徑式近場光學顯微鏡。

如今，經(jīng)過20多年的發(fā)展，國內(nèi)近場光學相關(guān)研究已經(jīng)形成遍地開花的局面。文獻調(diào)查顯示，中國學者發(fā)表的相關(guān)論文呈指數(shù)級增長。但是，與會專家指出，這一領(lǐng)域仍然存在儀器創(chuàng)新力不足、理論體系不健全、整體學術(shù)交流較少等問題。

針對這些現(xiàn)實問題，本次會議上，與會專家提出了國內(nèi)近場光學發(fā)展的“三個一”倡議，包括“一個項目”“一個會議”“一個學會”，即爭取布局一個近場光學重點研發(fā)項目，舉辦一場具有重要影響力的國際近場光學學術(shù)會議，成立一個近場光學專業(yè)學會。

與會專家呼吁，應(yīng)盡快在近場光學儀器研發(fā)及國產(chǎn)化方面發(fā)力，充分挖掘近場光學技術(shù)在多物理場條件及超高分辨率方面的潛力，為前沿科學領(lǐng)域原創(chuàng)性研究奠定基礎(chǔ)。

審核編輯 ：李倩