近场光学是研究距离物体表面一个波长以内的光学现象的新型交叉学科。基于非辐射场的探测与成像原理，近场光学显微镜突破常规光学显微镜所受到的衍射极限，在超高光学分辨率下进行纳米尺度光学成像与纳米尺度光谱研究。

80年代以来, 随着科学与技术向小尺度与低维空间的推进与扫描探针显微技术的发展，在光学领域中出现了一个新型交叉学科——近场光学。近场光学对传统的光学分辨极限产生了革命性的突破。新型的近场光学显微镜( NSOM——Near-field Scanning Optical Microscope，或称 SNOM)的出现使人们的视野由入射光波长一半的尺度拓展到波长的几十分之一，即纳米尺度。在近场光学显微镜中，传统光学仪器中的镜头被细小的光学探针所代替，其尖端的孔径远小于光的波长。

早在1928年, Synge提出：用入射光透过孔径为10nm 小孔照射到相距为10nm的样品后， 以10nm 的步长扫描并且收集微区的光信号时，就可能获得超高分辨率。在这种直观的描述中, Synge 已经清楚地预测了现代近场光学显微镜的主要特征。

1970年，Ash 和 Nicholls 应用近场的概念， 在微波波段( K=3cm)实现了分辨率为 K/ 60的二维成像。

1983年，BM 苏黎世研究中心成功地在金属镀膜的石英晶体尖端制备了纳米尺度的光孔。利用隧道电流作为探针和样品间距的反馈，获得 K/ 20的超高光学分辨率的图象。

使近场光学能引起更广泛关注的推动来自于AT&T Bell 实验室。1991年 Betzig 等人用光 学纤维制成高通光率的锥形光孔， 侧面蒸镀金属薄膜，加上独特的切变力探针-样品间距调 控法，不但使透过的光子通量增加了几个数量级，同时又提供了一种稳定、可靠的调控方法，引发了近场光学显微镜在生物、化学、磁光畴与高密度信息存储器件、量子器件等不同领域中高分辨光学观察中的一系列研究。

物体表面外的场分布可以划分为两个区域：一个是距物体表面仅仅几个K的区域，称为近场区域；另一部分从近场区域外至无穷远处称为远场区域。常规的观察工具如显微镜，望远镜及各种光学镜头均处于远场范围。近场的结构则相当复杂。一方面它 包括可以向远处传播的分量， 又包括了仅仅限于物体表面一个波长以内的成分。人们在一个世纪以前就意识到近场的存在及其复杂性： 它的特征是“依附”与物体表面， 其强度随离开表面的距离增加而迅速衰减，不能在自由空间存在， 因而被称为隐失波( evanescent wave)。

所谓近场光学，是相对于远场光学而言。传统的光学理论，如几何光学、物理光学等，通常只研究远离光源或者远离物体的光场分布，一般统称为远场光学。远场光学在原理上存在着一个远场衍射极限，限制了利用远场光学原理进行显微和其它光学应用时的最小分辨尺寸和最小标记尺寸。而近场光学则研究距离光源或物体一个波长范围内的光场分布。在近场光学研究领域，远场衍射极限被打破，分辨率极限在原理上不再受到任何限制，可以无限地小，从而基于近场光学原理可以提高显微成像与其它光学应用时的光学分辨率。

基于近场光学技术的光学分辨率可以达到纳米量级，突破了传统光学的分辨率衍射极限，这将为科学研究的诸多领域，尤其是纳米科技的发展提供有力的操作、测量方法和仪器系统。目前，基于隐失场探测的近场扫描光学显微镜、近场光谱仪已经在物理、生物、化学、材料科学等领域中得到应用，并且应用范围正在不断地扩大；而基于近场光学的其它应用，如纳米光刻和超高密度近场光存储、纳米光学元器件、纳米尺度粒子的捕获与操纵等等，也吸引了众多科学工作者的注意。

近场光学探测是由一系列转换完成的：

(1) 当用传播波或隐失波照射高空间频率的物体时， 将产生隐失波；

(2) 这样产生的隐失场不服从瑞利判据。这些场在远小于一个波长的尺度的局部范围内有很大的变化；

(3) 根据互易原理， 这些不可探测的高频局域场可以通过微小物体的转换而将这个隐失场转换为新的隐失场以及传播场；

(4) 传播场被适当的远距离探头所记录。在这里，由隐失场到传播场的转换是线性的，即探测到的场强与相应的隐失场中的Poynting 矢量成比例，因此探头获得的信息准确反映精细结构的局部变化， 当用一个微小物体(如光纤探针的尖端)进行平面扫描时， 就可以得到二维图像。

综上所述，由传播场到隐失场的转换是通过衍射或绕射机制实现的，反之亦然。这样的逆转换相应于光子的隧道效应。

分析近场成像问题时，有必要将整个成像过程分为两个部分。

(1)入射光与样品的相互作用；在样品表面产生非辐射型隐失波(当然同时也产生传播波)；

(2) 探针与样品的相互作用及其与成像的关系：当探针进入近场范围时，其针尖接收到含有样品细节信息的隐失波，而 产生新的隐失波及传播波。这个传播波可以被探头接收而成像。

近场光学显微镜的主要目标是获得与物体表面相距小于波长K的近场信息， 即隐失场的探测。虽然已经出现了许多不同类型的近场光学显微仪器， 但它们有一些共同的结构。如同其他扫描探针显微镜( STM、AFM…)， 近场光学显微镜包括： ( 1)探针，(2) 信号采集及处理，(3)探针-样品间距 z-的反馈控制，(4) x-y 扫描及(5) 图像处理。这里(4)(5)是已经成熟的扫描探针显微技术。采用计算机控制电子线路，微区的扫描一般由压电技术来实现，控制精度可以优于0. 01nm，丰富的图形处理方法可以将数字图像做平滑、滤波、衬度、亮度处理， 傅里叶变换滤波等。而(1), (2), (3)则与其他技术有区别。

(1) 探针：与 STM 中的金属探针和 AFM 的悬臂探针不同的是, 这里一般采用介电材料探针，可以发射或接受光子，尖端尺度在10～100nm，以能够将收集到的光子传送到探测器， 探针可用拉细的锥形光纤， 四方玻璃尖端，石英晶体等制成，探针的核心问题是小尺度和高的光通过率。

(2) 信息探测：由于光子信息均来自于纳米尺度区域，信号强度一般很低( ～nw/ cm2), 因而需经光电倍增管、光二极管、光子计数或电荷耦合器件(CCD)将光信号转换为电信号而放大。同时利用调制-锁相放大技术抑制噪声。以提高信噪比。

(3) 探针-样品间距控制: 理想的调控方法应当是与光信号的探测完全独立的机制，以使待测信号不受到干扰，避免引入复杂性。而实际方案中则难于避免这一问题，目前常用的方法有：i)隐失场调控：利用隐失场强度随 z-增加而指数下降关系，将探针放入隐失场里，控制范围0～K/ ( 30～40)，这种方法中，探测光信号与调控信号有较强相互影响。ii) 切变力调控：当以本征频率振荡的探针靠近样品表面时( < 50 nm)，由于振荡的针尖与样品间作用力( Van derWaals，毛细力，表面张力等)，其振荡幅度及相位均会有较大变化，利用这个变化可以将探针控制在 z= 5～20 nm 范围，比较成熟的方案有切变力调控方式，双束干涉[，共振音叉和超声共振方式等。

与 STM 中的电子隧道效应相比，光的传播特性使近场光学显微镜有新的特点；首先光子很容易向远处传播，因此易与观察物以外的物体或缺陷发生反射、衍射，这些相互作用将使所观察场的真实情况改变。因此，要找到一种完全独立的探针-样品间距控制方法；其次，如前面所述。在近场区域， 传播分量与非传播分量是共存的， 因而实际强度与 z -的关系并不是理想的指数衰减形式。在许多文献中描述的完美的指数衰减仅能出现在理想平面中, 而实际上这些实验分布已经被传播场所调制。

近场光学显微镜已经从80年代初期的概念性示范、90年代初期各类新型仪器开发，到目前成熟应用的阶段，在物理、化学、生物、材料科学中的应用范围不断扩大。下面列举一些最引人注目的应用领域。

高分辨率光学成像

新的扫描探针显微镜发展的初期总是要获得尽可能高的空间分辨率。早期的NSOM 利用石英晶体表面的金属镀层上的微孔作为探针， 获得波长的几十分之一的水平分辨率。当采用亚波长孔径的光纤作为探针和切变力样品-探针间距控制法后，已有分辨率为12 nm 的报道。然而，由于制备孔径小于30 nm 的光纤探针存在着很大的难度，以及这种尺度光通量极弱，使人们甚至认为这种方案的分辨率极限为30 nm。在反射模式下，由于光信号在到达探测系统前已经经历了多重反射，使分辨率进一步降低。然而由于这种可靠性高的方案可以满足相当多应用的要求，已经成为 NSOM 的常规方法。其他特殊的无孔方式，如四面体探头法， 局部电磁场扰动法可以获得更高、甚至接近原子分辨本领。

局域光谱

利用低温近场光谱仪可以探测并且区分尺度为几十纳米的量子线的光发射，以及单个或多量子阱的发射谱。在研究GaAs/ GaAlAs 量子阱的激发谱时，观察到远场方式所得不到的尖锐发射线条，表面样品发光的不均匀性；综合运用磁场、温度与给定激发波长的成像技术，可以准确地了解不同激发线的空间分布与界面的完整性。最近有人在磁性半导体异质结构( 含有磁性离子 M2+ 的 ZnSe/ ZnCaSe 量子阱)中，研究了激子的自旋行为，对载流子的扩散和激子输运行为作出系统研究。近场光谱在研究量子点、纳米晶体、表面缺陷与位错、纳米量子球及多孔硅等方面将发挥其独特的作用。

高密度信息存储

提高信息存储密度是科研与工业界极为关注的重大问题。目前的光学及磁光读写方式均受到衍射极限的限制， 并且使用较短的激光波长对存储密度提高不大。而近场光学的出现提供了一种新的原理，大大提高存储密度。较早的示范性研究表明，利用近场磁光偏转方法在 Pt/Co 多层磁光膜的记录密度可高达45 Gbits/ inch2。近年来近场表面等离子增强散射、近场二向色法色法及固态浸没镜聚焦法等都有较大发展。近场光刻、相变材料及光致变色薄膜等研究为近场技术在高密度存储上的应用提供新的机会。然而， 由于近场光学存储在速度与可靠性上与商业应用尚有距离，许多相关的机制仍需较大发展。

生命科学应用及单个分子探测

近场光学显微镜能利用光学观察的无损、原位探测的特点，对生物样品进行高分辨研究，可以在分子水平或者更深的层次研究如细胞的有丝分裂、染色体的分辨与局域荧光， 原位DNA、RNA 的测序，基因识别， 单个膜孔通道、膜受体成像等。在进一步提高动态性能后，可能观察活细胞中分子的动态代谢等动力学过程。

近场光学研究的进展对传统的经典光学提出新的问题。虽然经过长时间验证，经典光学在数学描述中无懈可击。然而利用经典的远场光学方法甚至不能解决近场中的很简单的现象。现代近场光学显微镜的快速发展提供了这类问题的实验结果，同时也为近场区域的干涉、衍射、偏振及成像原理提出许多新的理论问题。除了基础研究和基本物理理论现象的认识外，NSOM 最有应用前景当属在微电子学， 光电子学，高密度信息存储与生命科学中。