对于传统的远场成像,空间所有的点在成像过程中都是持续被照明的,通常依照瑞利判据定义理论上最佳的横向分辨率:对两个发光点 (散射点) 而言,当一个爱里斑的中心与另一个爱里斑的第一级暗环重合时,此时二者像之间有一个显著的 (至少26%) 强度凹陷,刚好能分辨出是两个像,两个散射点之间的距离就是理论上最佳的横向分辨率,其数值等于0.61倍波长除以数值孔径,差不多三分之二微米。而在Z方向的分辨率就差得多,大约为几十个微米大小。
共焦显微镜是一种远场技术,其设计原理是照亮一个孤立的衍射极限大小的体积,从同一体积内收集散射光:这种情况下的分辨率通常定义为所测量的散射响应曲线的半高全宽 (FWHH),其数值等于 0.41 倍波长除以数值孔径,其横向分辨率稍好于三分之一微米,而在Z方向的分辨率大约要差三倍大小。
近场技术致力于进一步减少照明的体积,近场扫描光学显微镜 (简称 NSOM 或 SNOM,分别是 IBM 公司和 Bell 的说法) 采用孔径小于波长的小孔装置,例如光线探针。在小孔的尖端,金属化的光纤探针把光照射到被照明物体上,二者之间的距离非常短 (渐逝场),被照明样品体积等于小孔直径乘以光照深度 (几个纳米大小),在远场收集该体积内样品的散射光。当然这个过程也可以反过来进行,即通过小孔收集同一体积的散射光而从远场照明。照明和收集甚至还可以都通过光纤进行,但是由于每次通过小孔都会使光束衰减几百万倍,因而这种方法只能用于散射很强的场合。高度回馈是追踪表面形貌、保持针尖与样品表面一定距离 (近场尺度范围)的基础,传统上借助于剪切力回馈。针尖固定在共振音叉的一个分支上,平行于样品表面方向以其机械共振频率颤动并向样品表面接近时,在探针垂直接近到样品表面几十纳米高度时,探针与样品之间的相互作用将产生横向剪切力。此时探针的颤动幅度会因受剪切力的阻尼而减小,于是,探针颤动幅度的大小就反映了针尖到样品的距离。因此用反馈方法维持针尖颤动的幅度,就能使针尖与样品之间保持恒定的距离。这个过程比较缓慢并且不太灵敏,有时会因为针尖与样品表面凸出的地方碰撞而使得小孔磨损变大。后来,人们又设计了其它方案,在空心的 AFM 针尖尖端使用相似的小孔来实现这种 NSOM,同时可以进行一些更更有效的反馈。因为照亮一块小体积样品的小孔越小,能够传输的光子数也越少,所以这项技术的分辨率在实际应用中限制在 100 nm,即便克服很多困难也只能达到 50 nm。也有一些其它相关的假象需要辨识,例如:小孔贴近表面时其通光量变化、由与表面粗糙度相互作用的宽度(小孔直径 + 两倍金属涂层厚度) 所带来的反馈高度变化、以及通过小孔的光的偏振变化等。值得注意的是,小孔扫描至边缘时 (形貌缺失),会产生一个尺寸为小孔宽度一般的假象,往往会与分辨率混淆。
TERS是散射SNOM (sSNOM) 的一个例子,sSNOM 或者使用一个真实的针尖根据其实际出现来被动地定义光谱体积,或者根据其光学效应主动地定义光谱体积。例如,当实际针尖在全内反射荧光 (TIRF) 晶体的纳米尺寸的表面扫描时,全内反射激发光束在针尖周围产生一个渐逝场,即刻从被照明体积形成传播到远场的光,这就可以定义分辨率。
TERS和其它相关技术都使用金属涂层的针尖,其光活性使得它的作用就像一个天线,把能量由远场激发光束传递到近场。所谓针尖上的“热点” (hot spots) 就是具有极高电偶极矩的非传播场,它们有效地照射在直径仅有几个纳米的一块体积上。与此同时还必须从纳米尺度的近场响应中去卷积衍射极限的远场响应。当然也可能在某些强散射物质的情况下没有去卷积的必要,因为针尖的增强可以达到107或更多。
目前,研究人员对于罢贰搁厂技术的分辨率的定义还有许多讨论,要想全面弄懂究竟现有的体系中哪一个更有益,还有一些理论工作亟待完成。
The TERS image (100 × 100 nm scanning area, with a pixel step size of 1.3 nm, total acquisition time < 9 min, 100 ms integration time per pixel), showing nanoscale chemical imaging of a single carbon nanotube with a spatial resolution of 8 nm, confirmed from the section analysis of the TERS intensity.
在上图所示的TERS成像例子中,扫描范围100××100 nm,步径为为 1.3 nm,总采集时间小于 9 分钟,在每个像素上积分时间 100 ms。结果显示出了单根碳纳米管的纳米尺度的化学图像,光学空间分辨率低至 8 nm。作为第一级近似,这一分辨率取决于TERS针尖自身的曲率半径。这个“8 纳米”来自与针尖半径的卷积。因此,可达到的 TERS 分辨率可以近似认为等于针尖曲率半径的一半。