具有保偏特性的光纖探針及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有保偏特性的光纖探針及其制備方法。該光纖探針包括裸光纖探針和金屬薄膜，裸光纖探針由去除保護層后的橢圓芯保偏光纖制得，其一端為針尖結構，針尖下端面為橢圓形，針尖頂部沿針尖下端面的長軸方向存在凹槽，將針尖頂部分割成對稱的兩瓣，金屬薄膜覆蓋除凹槽外的裸光纖探針的表面，在針尖頂部形成兩瓣金屬薄膜，兩瓣金屬薄膜與凹槽形成表面等離子體增強結構。本發(fā)明能顯著提高探針頂端偶極子體的輻射率，提高相干信噪比，制備過程容易精確控制，且可重復性好。該光纖探針除能應用于近場光學顯微鏡外，還能應用于拉曼光譜、白光納米橢偏儀和超快泵浦的探測。
【專利說明】具有保偏特性的光纖探針及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微弱光信號探測【技術領域】，更具體地，涉及一種具有保偏特性的光纖探針及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近場光學是指距離光源或物體一個波長范圍內的光場分布，在近場區(qū)域內，既包含向遠場傳播的輻射場成分，也包含“依附”于物體表面、其強度隨離開表面的距離增大而迅速衰減的倏逝場成分。近場光學顯微鏡則是指在近場中進行光學測量，這種技術突破了光在遠場中的衍射極限，使空間分辨率極限在原理上不再受到任何限制。此外，近場光學顯微鏡還具備改變樣品表面納米尺度結構的能力，進而可以應用于納米制造與納米光刻技術中。因此，近場光學顯微鏡在材料科學，生物科學和醫(yī)學等領域應用非常廣泛。
[0003]近場光學顯微鏡在工作時，入射的平行激光束超過全反射臨界角并在樣品表面激發(fā)倏逝場。當近場光學探針的針尖進入樣品表面的倏逝場區(qū)域后，由于局部的全反射受抑，倏逝場光信號經由近場光學探針端面耦合進入光纖，并通過光電探測系統(tǒng)將光信號轉變?yōu)殡娦盘?，獲得樣品表面的光譜信息。在近場光學顯微鏡系統(tǒng)中最重要的技術之一就是近場光學探針的設計和制備，其中近場光學探針的探針形狀會影響系統(tǒng)的傳輸效率，而探針針尖的尺寸則決定系統(tǒng)的空間分辨率。當近場光學探針的孔徑較小時，系統(tǒng)的空間分辨率較高；但如果孔徑過小，近場光學探針的截止頻率升高，信號光強度減弱，信噪比降低，空間分辨率反而降低。因此，有必要優(yōu)化近場光學探針的結構設計，制備出耦合效率和性噪比高的近場光學探針。

【發(fā)明內容】

[0004]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種具有保偏特性的光纖探針及其制備方法，能顯著提高探針頂端偶極子體的輻射率，提高相干信噪比，制備過程容易精確控制，且可重復性好。該光纖探針除能應用于近場光學顯微鏡外，還能應用于拉曼光譜、白光納米橢偏儀和超快泵浦的探測。
[0005]為實現上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種具有保偏特性的光纖探針，其特征在于，包括裸光纖探針和金屬薄膜；所述裸光纖探針由去除保護層后的橢圓芯保偏光纖制得，所述裸光纖探針的一端為針尖結構，針尖下端面為橢圓形，針尖頂部沿針尖下端面的長軸方向存在凹槽，將針尖頂部分割成對稱的兩瓣；所述金屬薄膜覆蓋除所述凹槽外的所述裸光纖探針的表面，在針尖頂部形成兩瓣金屬薄膜，所述兩瓣金屬薄膜與所述凹槽形成表面等離子體增強結構。
[0006]優(yōu)選地，所述金屬薄膜的膜厚為50?150nm。
[0007]優(yōu)選地，所述凹槽的槽寬為10?50nm。
[0008]優(yōu)選地，所述金屬薄膜的材料為金、銀或鋁。
[0009]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種上述光纖探針的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0010](I)選取橢圓芯保偏光纖，去除保護層，得到裸光纖；
[0011](2)采用拉錐法或化學刻蝕法在裸光纖的一端形成針尖，該針尖為類鴨嘴形，針尖下端面為橢圓形，構成鴨嘴結構的兩曲面相交形成一條背脊線，該背脊線與針尖下端面的長軸共面；
[0012](3)在所述步驟(2)得到的結構表面鍍上一層金屬薄膜；
[0013](4)沿背脊線方向切除針尖頂部的一段背脊線，使被切除部分的光纖芯材裸露在夕卜，同時使金屬薄膜在針尖頂部分割成兩瓣；
[0014](5)沿針尖下端面的長軸方向，將針尖頂部裸露的芯材分割成兩瓣，從而在兩瓣金屬薄膜間形成空氣間隙，完成光纖探針的制備。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟(2)具體為:將含有HF和NH4F的混合溶液作為刻蝕液，在刻蝕液表面覆蓋一層不溶于該刻蝕液的有機溶劑作為保護液，將裸光纖部分垂直插入刻蝕液，使光纖下端暴露在刻蝕液中，直至針尖形成。
[0016]總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果:
[0017]1、無背景場增強，利用探針頂端的兩瓣金屬薄膜能有效合并遠-近場電磁模雙向耦合時的場增強，從而顯著提高探針頂端偶極子體的輻射率。
[0018]2、采用橢圓芯保偏光纖，通過雙折射效應，消除普通光纖由于應力不對稱而導致的光的偏振態(tài)變化，能提高相干信噪比。
[0019]3、制備過程容易精確控制，且可重復性好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是采用化學刻蝕法制備針尖的示意圖；
[0021]圖2是在針尖形成后的結構表面鍍上一層金屬薄膜后的結構示意圖，其中，(a)為正視圖；(b)為俯視圖；(C)為右視圖；
[0022]圖3是金屬薄膜在針尖頂部分割成兩瓣后的結構示意圖，其中，(a)為正視圖；(b)為俯視圖；(C)為右視圖；
[0023]圖4是最終制得的光纖探針結構不意圖,其中，(a)為正視圖；(b)為俯視圖；(c)為右視圖；(d)為立體圖。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0025]本發(fā)明實施例的具有保偏特性的光纖探針包括裸光纖探針和金屬薄膜。裸光纖探針由去除保護層后的橢圓芯保偏光纖制得，其一端為針尖結構，針尖下端面為橢圓形，針尖頂部沿針尖下端面的長軸方向存在凹槽，將針尖頂部分割成對稱的兩瓣，金屬薄膜覆蓋除凹槽外的裸光纖探針表面，在針尖頂部形成兩瓣金屬薄膜，這兩瓣金屬薄膜與凹槽形成表面等離子體增強結構。
[0026]其中，金屬薄膜材料為金、銀或鋁，膜厚為50?150nm，原因在于，對于等離子體增強結構，金屬薄膜的厚度過小，趨膚效應不顯著，但金屬薄膜的厚度過大會造成材料不必要的浪費。根據表面等離子體共振對尺寸的要求，凹槽的槽寬為10?50nm。
[0027]上述具有保偏特性的光纖探針可按如下方法制備:
[0028](I)選取橢圓芯保偏光纖，去除保護層，得到裸光纖。
[0029](2)采用拉錐法或化學刻蝕法在裸光纖的一端形成針尖，該針尖為類鴨嘴形，針尖下端面為橢圓形，構成鴨嘴結構的兩曲面相交形成一條背脊線，該背脊線與針尖下端面的長軸共面。
[0030]化學刻蝕法具體為:將含有HF和NH4F的混合溶液作為刻蝕液，在刻蝕液表面覆蓋一層不溶于該刻蝕液的有機溶劑作為保護液，將裸光纖部分垂直插入刻蝕液，使光纖下端暴露在刻蝕液中，直至針尖形成。
[0031](3)利用磁控濺射技術在步驟(2)得到的結構表面鍍上一層金屬薄膜。
[0032](4)利用聚焦離子束微納加工技術，沿背脊線方向切除針尖頂部的一段背脊線，使被切除部分的光纖芯材裸露在外，同時使金屬薄膜在針尖頂部分割成兩瓣。
[0033](5)利用聚焦離子束微納加工技術，沿針尖下端面的長軸方向，將針尖頂部裸露的芯材分割成兩瓣，從而在兩瓣金屬薄膜間形成空氣間隙，完成光纖探針的制備。
[0034]為使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明，下面結合具體實施例，對本發(fā)明的具有保偏特性的光纖探針的制備方法進行詳細說明。
[0035]實施例1
[0036]具有保偏特性的光纖探針的制備方法具體為:
[0037](I)選取橢圓芯保偏光纖，切割使其長度為12cm，去除樹脂涂層，得到裸光纖，將裸光纖依次用酒精和去離子水清洗干凈。
[0038](2 )將質量分數為40%的HF溶液、去離子水和質量分數為40%的NH4F溶液按體積比3:5:40混合均勻，得到刻蝕液，在刻蝕液表面覆蓋一層甘油作為保護液，保護液的厚度為2mm。如圖1所示，將裸光纖部分垂直插入刻蝕液，使光纖下端暴露在刻蝕液中，刻蝕IOh后，針尖形成。該針尖為類鴨嘴形，針尖下端面為橢圓形，構成鴨嘴結構的兩曲面相交形成一條背脊線，該背脊線與針尖下端面的長軸共面。
[0039](3)將步驟(2)得到的結構依次用酒精和去離子水清洗干凈后，利用磁控濺射技術在其表面鍍上一層鋁膜，膜厚為150nm，形成如圖2所示的結構。
[0040](4)利用聚焦離子束微納加工技術，沿背脊線方向切除針尖頂部的一段背脊線，使被切除部分的光纖芯材裸露在外，同時使金屬薄膜在針尖頂部被分割成兩瓣，形成如圖3所示的結構。
[0041](5)利用聚焦離子束微納加工技術，沿針尖下端面的長軸方向，在針尖頂部裸露的芯材中形成凹槽，將針尖頂部分割成對稱的兩瓣，槽寬為50nm，從而在兩瓣金屬薄膜間形成空氣間隙，完成光纖探針的制備，最終得到的光纖探針結構如圖4所示。
[0042]如圖4所示，按上述方法制得的光纖探針包括裸光纖探針2和金屬薄膜1，裸光纖探針2的一為針尖結構，針尖下面為捕圓形，長軸為6 μ m，短軸為3 μ m，針尖頂部沿針尖下端面的長軸方向存在凹槽3，將針尖頂部分割成對稱的兩瓣，金屬薄膜I覆蓋除凹槽3外的裸光纖探針2的表面，針尖頂部的兩瓣金屬薄膜與凹槽3形成表面等離子體增強結構。
[0043]實施例2
[0044]具有保偏特性的光纖探針的制備方法具體為:
[0045](I)選取橢圓芯保偏光纖，切割使其長度為10cm，去除樹脂涂層，得到裸光纖，將裸光纖依次用酒精和去離子水清洗干凈。
[0046](2)將質量分數為40%的HF溶液、去離子水和質量分數為40%的NH4F溶液按體積比3:5:40混合均勻，得到刻蝕液，在刻蝕液表面覆蓋一層甘油作為保護液，保護液的厚度為2mm。將裸光纖部分垂直插入刻蝕液，使光纖下端暴露在刻蝕液中，刻蝕IOh后，針尖形成。該針尖為類鴨嘴形，針尖下端面為橢圓形，構成鴨嘴結構的兩曲面相交形成一條背脊線，該背脊線與針尖下端面的長軸共面。
[0047](3)將步驟(2)得到的結構依次用酒精和去離子水清洗干凈后，利用磁控濺射技術在其表面鍍上一層銀膜，膜厚為50nm。
[0048](4)利用聚焦離子束微納加工技術，沿背脊線方向切除針尖頂部的一段背脊線，使被切除部分的光纖芯材裸露在外，同時使金屬薄膜在針尖頂部被分割成兩瓣。
[0049](5)利用聚焦離子束微納加工技術，沿針尖下端面的長軸方向，在針尖頂部裸露的芯材中形成凹槽，將針尖頂部分割成對稱的兩瓣，槽寬為10nm，從而在兩瓣金屬薄膜間形成空氣間隙，完成光纖探針的制備。
[0050]普通光纖的結構或所受的機械應力不可能完全對稱，導致光在傳播過程中會因雙折射而使偏振態(tài)發(fā)生不規(guī)則變化。本發(fā)明采用橢圓芯保偏光纖，通過纖芯的橢圓形設計，人為地引入已知應力，使得光在傳播時產生更加強烈的雙折射，此時偏振態(tài)的變化規(guī)律可以根據已知應力求得，因而能消除偏振態(tài)不規(guī)則變化的影響。
[0051]測試樣品時，信號光到達表面等離子體場增強結構，在兩瓣金屬薄膜間激勵出表面等離子體，當兩瓣金屬薄膜間的間隙滿足波矢匹配條件時，間隙處便會發(fā)生場增強效應。增強后的信號光經耦合進入光纖傳輸并通過光電探測系統(tǒng)將光信號轉變?yōu)殡娦盘?，獲得樣品表面的光譜信息，從而實現突破遠場衍射極限的成像。
[0052]本發(fā)明并不局限于上述實施例，具體地，金屬薄膜材料并不局限于銀或鋁，膜厚并不局限于50nm或150nm,凹槽的槽寬并不局限于IOnm或50nm,更一般地，金屬薄膜材料可以為金、銀或鋁中的任意一種，膜厚可以為50?150nm范圍內的任何值，例如80nm或lOOnm，槽寬可以為10?50nm范圍內的任何值，例如20nm或30nm。
[0053]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種具有保偏特性的光纖探針，其特征在于，包括裸光纖探針和金屬薄膜；所述裸光纖探針由去除保護層后的橢圓芯保偏光纖制得，所述裸光纖探針的一端為針尖結構，針尖下端面為橢圓形，針尖頂部沿針尖下端面的長軸方向存在凹槽，將針尖頂部分割成對稱的兩瓣；所述金屬薄膜覆蓋除所述凹槽外的所述裸光纖探針的表面，在針尖頂部形成兩瓣金屬薄膜，所述兩瓣金屬薄膜與所述凹槽形成表面等離子體增強結構。
2.如權利要求1所述的具有保偏特性的光纖探針，其特征在于，所述金屬薄膜的膜厚為 50 ~150nm。
3.如權利要求1或2所述的具有保偏特性的光纖探針，其特征在于，所述凹槽的槽寬為10 ~50nm。
4.如權利要求1至3中任一項所述的具有保偏特性的光纖探針，其特征在于，所述金屬薄膜的材料為金、銀或鋁。
5.一種如權利要求1至4中任一項所述的光纖探針的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)選取橢圓芯保偏光纖，去除保護層，得到裸光纖； (2)采用拉錐法或化學刻蝕法在裸光纖的一端形成針尖，該針尖為類鴨嘴形，針尖下端面為橢圓形，構成鴨嘴結構的兩曲面相交形成一條背脊線，該背脊線與針尖下端面的長軸共面； (3)在所述步驟(2)得到的結構表面鍍上一層金屬薄膜； (4)沿背脊線方向切除針尖頂部的一段背脊線，使被切除部分的光纖芯材裸露在外，同時使金屬薄膜在針尖頂部分割成兩瓣； (5)沿針尖下端面的長軸方向，將針尖頂部裸露的芯材分割成兩瓣，從而在兩瓣金屬薄膜間形成空氣間隙， 完成光纖探針的制備。
6.如權利要求5所述的光纖探針的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為:將含有HF和NH4F的混合溶液作為刻蝕液，在刻蝕液表面覆蓋一層不溶于該刻蝕液的有機溶劑作為保護液，將裸光纖部分垂直插入刻蝕液，使光纖下端暴露在刻蝕液中，直至針尖形成。
【文檔編號】G01Q60/22GK103901233SQ201410145043
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權日:2014年4月11日
【發(fā)明者】湯自榮, 龔渤, 孫永明, 周煒, 朱梔 申請人:華中科技大學, 武漢珈偉光伏照明有限公司