從光的衍射看顯微技術(shù)的發(fā)展歷程

石 磊 趙亞兵

（山東鄒平縣第一中學(xué)，山東 鄒平 256200）

人類對(duì)微觀世界的無(wú)限渴望，孜孜追求是顯微技術(shù)不斷前進(jìn)的動(dòng)力.而光的波動(dòng)性所引起的衍射極限，是影響分辨率的一大要素.從第一個(gè)光學(xué)顯微鏡到現(xiàn)在原子量級(jí)的分辨技術(shù)，其中的歷程就是不斷突破衍射極限的過(guò)程.

1 夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射

衍射是波繞過(guò)障礙物或小孔后繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，衍射是波的特有現(xiàn)象，是光具有波動(dòng)性的有力證據(jù).中學(xué)課本上就是通過(guò)光的干涉和衍射充分驗(yàn)證了光的波動(dòng)性.從光的衍射這一物理現(xiàn)象，就可以管窺出顯微鏡的發(fā)展歷程.

由于大多數(shù)光學(xué)儀器中所使用的透鏡的邊緣通常都是圓形的，根據(jù)夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射理論［1］，如圖1所示，S為一點(diǎn)光源光源，經(jīng)過(guò)透鏡L1后轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄?，平行光?jīng)過(guò)半徑為R的圓孔后，在L2焦平面上形成衍射條紋，條紋光強(qiáng)分布為

圖1 夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射示意圖

其光強(qiáng)分布曲線如圖2所示.由公式（1）可知，中央最大值的位置為

第一個(gè)最小值的位置為

其光強(qiáng)圖像，見圖3.

由此可見，衍射圖樣是一組同心的明暗相間的圓環(huán)，其中以第一暗環(huán)為范圍的中央亮斑的光強(qiáng)占整個(gè)入射光束光強(qiáng)的84%，這個(gè)中央光斑稱為艾里斑，艾里斑的半角寬度為

圖2 光強(qiáng)分布曲線

2 衍射極限

由圖3可知點(diǎn)光源通過(guò)光學(xué)孔徑后，得到的是個(gè)艾里斑；當(dāng)兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，看到的是兩個(gè)像點(diǎn)，可以把兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)分辨出；如果兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)距離較近時(shí)，兩個(gè)艾里斑將產(chǎn)生重疊，則只能看成一個(gè)像點(diǎn).根據(jù)瑞利判據(jù)，如果一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖像中央的最亮處剛好與另一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖像第一個(gè)最暗環(huán)相重合時(shí)，這兩個(gè)點(diǎn)光源恰好能被這一光學(xué)儀器所分辨.如圖4所示.

圖3 光強(qiáng)分布圖像

圖4 瑞利判據(jù)

由衍射所引起的分辨極限率即為衍射極限；光學(xué)儀器恰好能分辨出的兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)的間距，即為分辨率；因此衍射極限是影響分辨率的一大要素.顯微技術(shù)的發(fā)展歷程就是不斷突破衍射極限的過(guò)程.由公式（4）可知，減小波長(zhǎng)是突破衍射極限的有效方法.

3 顯微技術(shù)

（1）光學(xué)顯微鏡

最早的顯微鏡是由兩個(gè)透鏡組成，利用可見光成像的光學(xué)顯微鏡.伽利略通過(guò)一個(gè)光學(xué)顯微鏡第一次對(duì)昆蟲的復(fù)眼進(jìn)行了描述；另一個(gè)科學(xué)家虎克用它觀察肉眼看不到的微小生物和動(dòng)物.現(xiàn)在的光學(xué)顯微鏡可以放大1 600倍，但由于光的衍射極限，顯微極限只有光波波長(zhǎng)的2／5，也就是不可能制造出分辨率突破0.2μm的光學(xué)顯微鏡.

（2）電子顯微鏡

根據(jù)德布羅意波原理，運(yùn)到的粒子就有波動(dòng)性，因此通過(guò)加速粒子（一般為電子）可以得到波長(zhǎng)很短的物質(zhì)波.以動(dòng)能為120keV為例，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為3.4×10－12m，是可見光的波長(zhǎng)（0.39～0.76μm）的萬(wàn)分之一，因此大大減小了衍射極限.1931年，恩斯特·魯斯卡研制出電子顯微鏡，使得分辨率達(dá)到原子量級(jí)（0.1nm）.電子顯微鏡的一大缺點(diǎn)就是屬于有損成像，其發(fā)射出的電子對(duì)樣本會(huì)產(chǎn)生傷害，尤其是活體樣本，其次電子顯微鏡孔徑角很?。ú坏?0°）.

（3）近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡［2］

物質(zhì)中小于波長(zhǎng)的超分辨極限的精細(xì)結(jié)構(gòu)和起伏信息可以從近場(chǎng)區(qū)的電磁波——隱失波中獲取.隱失場(chǎng)是不向外傳播能量的非傳播場(chǎng)，通過(guò)近場(chǎng)探針儀器，如掃描隧道顯微鏡，原子力顯微鏡等，可以把探針置于近場(chǎng)區(qū)，然后把含有超分辨信息的隱失場(chǎng)變換為攜帶該信息的可進(jìn)行能量傳送的傳播場(chǎng)，使放在遠(yuǎn)處的探測(cè)和成像器件可以接收到隱含在隱失場(chǎng)中的超分辨信息，進(jìn)而變成人們可以用肉眼觀看到的圖像信號(hào).1993年10月美國(guó)的TopoMetrix公司推出了名為“Aurora”的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，觀察到直徑為18nm的棒狀煙草病毒的像.近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡相對(duì)于電子顯微鏡最大的好處是無(wú)損傷成像，不會(huì)對(duì)樣本造成損傷，另外也避免了電子顯微鏡孔徑角很小的缺點(diǎn).但近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡只能對(duì)樣品表面成像，無(wú)法探測(cè)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu).X射線成像就能很好的解決這一問(wèn)題.

（4）X射線成像

X射線成像應(yīng)用最多的為醫(yī)用或工業(yè)CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描），它可以得到樣本的斷層和立體圖像.其原理就是利用不同組織結(jié)構(gòu)對(duì)X射線的吸收系數(shù)、透射率不同，用靈敏的探測(cè)器，探測(cè)到透射過(guò)的X射線強(qiáng)度，得到的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)處理分析，可以構(gòu)建出樣本的立體圖像.X射線頻率高，波長(zhǎng)短（0.01nm－10nm），因此具有高分辨率，此外還具有高透射率.借助于這些優(yōu)點(diǎn)，CT技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高透射無(wú)損，以及高分辨率（二維可達(dá)15nm，三維可達(dá)60 nm）成像.

（5）X射線相位襯度成像

對(duì)于一些軟組織，它對(duì)X射線的吸收很小，因此大大減小了CT成像的對(duì)比度，影響成像質(zhì)量.X射線相位襯度成像，可以解決這一問(wèn)題.其工作原理類似于普通CT，只是它通過(guò)探測(cè)器來(lái)獲取軟組織對(duì)X射線的折射角圖像，進(jìn)而構(gòu)建樣本圖像.

（6）X射線吸收譜、特征譜線等原子結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

每種元素都具有其獨(dú)特的外層電子結(jié)構(gòu)，因此不同的原子具有特定的吸收譜以及特征譜線，此外不同的晶體結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)以及化合態(tài)也使得不同的物質(zhì)具有特定的吸收譜和特征譜線類型和形狀.因此在化學(xué)分析、原子分子物理以及天文學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，可以通過(guò)對(duì)物質(zhì)的吸收譜和特征譜線的研究，從而得出物質(zhì)元素種類和構(gòu)成的具體信息.

綜述，從最初的放大幾十、幾百倍的簡(jiǎn)易光學(xué)顯微鏡，到現(xiàn)在達(dá)到原子量級(jí)的納米顯微技術(shù)，其發(fā)展歷程，是人類對(duì)物質(zhì)世界不斷認(rèn)識(shí)，不斷探索的過(guò)程，對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)將永無(wú)止境.

1 姚啟鈞.光學(xué)教程.北京：高等教育出版社，1986.

2 張樹霖.近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡及其應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2003.