近年來，“近場光學(xué)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(biāo)記，又能突破衍射極限的光學(xué)顯微術(shù)。

不久前，以“多場條件超高分辨近場光學(xué)技術(shù)”為主題的香山科學(xué)會議第743次學(xué)術(shù)討論會在北京舉行。與會專家認(rèn)為，近場光學(xué)技術(shù)具有適用性廣、寬光譜兼容、無損檢測、無須標(biāo)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(xué)科研力量，盡快推進(jìn)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(xì)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(xué)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(xué)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(xué)顯微鏡僅僅收集和利用了物體的“遠(yuǎn)場”光學(xué)信息，而攜帶樣品更加精細(xì)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(xué)中心研究員戴慶介紹，在近百年的探索中，科學(xué)家認(rèn)識到，為了突破衍射極限實現(xiàn)超高分辨率光學(xué)成像，物體的“近場”光學(xué)信息必須得到有效利用。1928年，著名物理學(xué)家愛因斯坦和愛爾蘭科學(xué)家辛祺分別提出了近場光學(xué)顯微鏡的兩種設(shè)計理念。不過，當(dāng)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(xué)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(xué)先驅(qū)的設(shè)想變成現(xiàn)實?！贝鲬c表示。

從實驗室到商業(yè)化

與會專家認(rèn)為，近場光學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，主要得益于納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

1984年，科學(xué)家首先借助鋁膜包覆的化學(xué)蝕刻石英探針實現(xiàn)了孔徑式近場光學(xué)顯微鏡，分辨率達(dá)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(jìn)一步提高到12納米。

20世紀(jì)90年代以后，散射式近場光學(xué)顯微鏡逐步發(fā)展起來。特別是1998年以后，德國科學(xué)家凱爾曼開創(chuàng)了紅外波段散射式近場光學(xué)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(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用也進(jìn)入了快車道?！?/p>

作為納米科學(xué)強(qiáng)有力的表征工具，近場光學(xué)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(xué)、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等多個前沿科學(xué)領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。例如，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)董振超團(tuán)隊利用散射式近場光學(xué)探針的場增強(qiáng)效應(yīng)實現(xiàn)了單個分子的拉曼光譜成像；國家納米科學(xué)中心戴慶團(tuán)隊利用散射式近場光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)了二維材料異質(zhì)結(jié)中的光學(xué)負(fù)折射效應(yīng)并實現(xiàn)其動態(tài)調(diào)控；華中科技大學(xué)李培寧團(tuán)隊通過近場光學(xué)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(rèn)為，隨著研究進(jìn)入原子尺度，量子效應(yīng)更加顯著，這一科學(xué)前沿對近場光學(xué)技術(shù)又提出了新的要求，應(yīng)著力加強(qiáng)近場光學(xué)技術(shù)與低溫、強(qiáng)磁場、強(qiáng)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(xué)表征及多物理場調(diào)控的需求。

學(xué)科發(fā)展倡議

在中國，近場光學(xué)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(xué)物理學(xué)院教授朱星率先引進(jìn)國內(nèi)第一臺孔徑式近場光學(xué)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(xué)顯微鏡。

如今，經(jīng)過20多年的發(fā)展，國內(nèi)近場光學(xué)相關(guān)研究已經(jīng)形成遍地開花的局面。文獻(xiàn)調(diào)查顯示，中國學(xué)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(xué)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(xué)發(fā)展的“三個一”倡議，包括“一個項目”“一個會議”“一個學(xué)會”，即爭取布局一個近場光學(xué)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(xué)學(xué)術(shù)會議，成立一個近場光學(xué)專業(yè)學(xué)會。

與會專家呼吁，應(yīng)盡快在近場光學(xué)儀器研發(fā)及國產(chǎn)化方面發(fā)力，充分挖掘近場光學(xué)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(xué)領(lǐng)域原創(chuàng)性研究奠定基礎(chǔ)。

審核編輯 ：李倩