高效率突破衍射極限的探針及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于近場(chǎng)光學(xué)和表面等離激元領(lǐng)域，提出了一種高效探針的制備方法，可以在近場(chǎng)掃描系統(tǒng)中的成像，傳感，內(nèi)窺鏡以及量子光學(xué)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的近場(chǎng)光學(xué)探針，是在一個(gè)錐形的介質(zhì)探針表面鍍上金屬，然后在端口留出一個(gè)可以發(fā)射和收集光的小孔，在近場(chǎng)光學(xué)范圍內(nèi)，這種探針可以在AFM系統(tǒng)的控制下做掃描，與物質(zhì)結(jié)構(gòu)表面的倏逝波相互作用，可以突破衍射極限。
[0003]但是這種探針是以犧牲光的傳輸效率為代價(jià)，為了實(shí)現(xiàn)高的分辨率，就要設(shè)計(jì)很小的小孔，這樣會(huì)使光的透過(guò)率變低，通常低于1/1000。而且探針的收集效率會(huì)更低。這就限制了近場(chǎng)探針在弱信號(hào)下的應(yīng)用，比如量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005]本發(fā)明旨在利用光纖錐波導(dǎo)和金屬銀納米線波導(dǎo)之間的倏逝波耦合，實(shí)現(xiàn)從光學(xué)模式到表面等離激元模式之間的高效率轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用表面等離激元對(duì)電磁場(chǎng)的束縛，把能量壓縮到突破衍射極限的尺度。在提高分辨率的同時(shí)，將近場(chǎng)探針的效率大大提高。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種探針，包括光纖錐和固定于光纖錐末端的導(dǎo)電納米線，所述光纖錐是末端逐漸縮小的光學(xué)介質(zhì)波導(dǎo)，所述導(dǎo)電納米線是直徑在50至1000納米的具有自由電子的線狀材料。
[0008]優(yōu)選地，所述光纖錐的張角為3?5度。
[0009]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電納米線的直徑小于200納米。
[0010]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電納米線為銀納米線。
[0011]本發(fā)明還提出一種制造探針的方法，包括如下步驟:S1、制備光纖錐和導(dǎo)電納米線；S2、取特定長(zhǎng)度的導(dǎo)電納米線，并將其固定在所述光纖錐的末端；所述光纖錐是末端逐漸縮小的光學(xué)介質(zhì)波導(dǎo)，所述導(dǎo)電納米線是直徑在50至1000納米的具有自由電子的線狀材料。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在所述步驟S2中，使用透明膠水將所述光纖錐和導(dǎo)電納米線固定。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在所述步驟S2中，還包括調(diào)整銀納米線和光纖錐的耦合距離的步驟，以使二者耦合效率達(dá)到最大。
[0014](三)有益效果
[0015]不同于靠光通過(guò)小孔的衍射的探針，本發(fā)明的探針通過(guò)光纖錐絕熱地把場(chǎng)模壓縮到亞波長(zhǎng)量級(jí)，然后通過(guò)模式之間的耦合，將這個(gè)光學(xué)模式轉(zhuǎn)換為具有更小模式面積的表面等離激元模式(有效模式面積R~2)，這個(gè)效率理論上可以達(dá)到90%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)在的商用近場(chǎng)探針。
[0016]除此之外，本發(fā)明的探針還有以下兩個(gè)優(yōu)良的特點(diǎn):
[0017]1.將有偏振性質(zhì)的單光子或者激光輸入這個(gè)探針，光的偏振性質(zhì)可以得到很好的保持。
[0018]2.雙光子的偏振糾纏態(tài)在經(jīng)過(guò)這個(gè)探針后，糾纏度可以很好的保持。
[0019]同時(shí)，我們的探針制備方法非常簡(jiǎn)單，不需要對(duì)介質(zhì)探針進(jìn)行鍍膜，只需要對(duì)普通光纖進(jìn)行拉錐然后在顯微系統(tǒng)下對(duì)其進(jìn)行操作即可。這里用到的一個(gè)慢慢變細(xì)的波導(dǎo)(光纖錐)和一個(gè)直徑固定的波導(dǎo)(銀納米線)之間的耦合，與普通的兩個(gè)直徑固定直徑的波導(dǎo)之間的耦合相比，對(duì)光纖錐尺寸的要求很低，允許比較大的尺寸誤差。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的探針的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的300nm探針的掃描電鏡圖片；
[0022]圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的通光后的300nm直徑的銀納米線制備的探針的光學(xué)顯微鏡圖片；
[0023]圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的通光后的10nm直徑的銀納米線制備的探針的光學(xué)顯微鏡圖片；
[0024]圖5是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的300nm探針的偏振性質(zhì)測(cè)量結(jié)果；
[0025]圖6是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的300nm探針的維持糾纏性質(zhì)的測(cè)量結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明提出一種高效率突破衍射極限的探針及其制備方法。本發(fā)明的探針包括光纖錐和導(dǎo)電納米線，所述光纖錐是末端逐漸縮小的光學(xué)介質(zhì)波導(dǎo)，導(dǎo)電納米線是直徑在50至1000納米的具有自由電子的線狀材料。所述導(dǎo)電納米線固定于光纖錐的末端。
[0027]圖1示出了本發(fā)明的探針的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該探針包括光纖錐I和導(dǎo)電納米線2。
[0028]根據(jù)本發(fā)明，光纖錐I的張角優(yōu)選為3?5度。導(dǎo)電納米線2的直徑優(yōu)選為300納米以下，更優(yōu)選為50?200納米。
[0029]所述導(dǎo)電納米線2的材料可以是任意的能夠提供自由電子的材料，通?？蔀榻饘?，優(yōu)選為銀。
[0030]光纖錐I和導(dǎo)電納米線2可通過(guò)任意方式相互固定，例如采用對(duì)光透明的膠水(如環(huán)氧樹(shù)脂)進(jìn)行粘結(jié)。光纖錐I與導(dǎo)電納米線2的重疊部分的長(zhǎng)度可以在5至10微米，具體長(zhǎng)度依據(jù)耦合效率而定。
[0031]本發(fā)明的探針的制備方法包括:
[0032]S1、制備光纖錐和導(dǎo)電納米線。
[0033]S2、取特定長(zhǎng)度的導(dǎo)電納米線，并將其固定在所述光纖錐的末端。
[0034]上述制備方法中，步驟SI的制備光纖錐和導(dǎo)電納米線的方法可采用現(xiàn)有技術(shù)。步驟S2也可采用現(xiàn)有的微裝配技術(shù)進(jìn)行。例如在三維微納平移臺(tái)上，先在光纖錐上點(diǎn)膠，然后將導(dǎo)電納米線移動(dòng)至固定位置并與膠水接觸。等膠水風(fēng)干后則可得到可發(fā)明的探針。但應(yīng)注意，本發(fā)明不排除采用其他方法來(lái)使光纖錐與導(dǎo)電納米線固定。
[0035]下面通過(guò)一個(gè)具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。
[0036]在該實(shí)施例中，利用現(xiàn)有的光纖制作光纖維，導(dǎo)電納米線使用銀納米線。
[0037]S1.1、光纖錐的制備:
[0038]首先，根據(jù)工作波長(zhǎng)選取合適的光纖，然后剝?nèi)ネ糠髮樱镁凭M(jìn)行清洗。然后，拉緊清洗后的光纖兩端，放在酒精燈火焰上進(jìn)行灼燒若干秒。等光纖接近燒熔的時(shí)候，用力將光纖兩端拉開(kāi)。
[0039]在顯微鏡下觀察得到的光纖錐，