CN103901233B

CN103901233B - 具有保偏特性的光纤探针及其制备方法

Info

Publication number: CN103901233B
Application number: CN201410145043.9A
Authority: CN
Inventors: 汤自荣; 龚渤; 孙永明; 周炜; 朱栀
Original assignee: WUHAN JIAWEI LIGHTING CO Ltd; Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: WUHAN JIAWEI LIGHTING CO Ltd; Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2034-04-11
Also published as: CN103901233A

Abstract

本发明公开了一种具有保偏特性的光纤探针及其制备方法。该光纤探针包括裸光纤探针和金属薄膜，裸光纤探针由去除保护层后的椭圆芯保偏光纤制得，其一端为针尖结构，针尖下端面为椭圆形，针尖顶部沿针尖下端面的长轴方向存在凹槽，将针尖顶部分割成对称的两瓣，金属薄膜覆盖除凹槽外的裸光纤探针的表面，在针尖顶部形成两瓣金属薄膜，两瓣金属薄膜与凹槽形成表面等离子体增强结构。本发明能显著提高探针顶端偶极子体的辐射率，提高相干信噪比，制备过程容易精确控制，且可重复性好。该光纤探针除能应用于近场光学显微镜外，还能应用于拉曼光谱、白光纳米椭偏仪和超快泵浦的探测。

Description

具有保偏特性的光纤探针及其制备方法

技术领域

本发明属于微弱光信号探测技术领域，更具体地，涉及一种具有保偏特性的光纤探针及其制备方法。

背景技术

近场光学是指距离光源或物体一个波长范围内的光场分布，在近场区域内，既包含向远场传播的辐射场成分，也包含“依附”于物体表面、其强度随离开表面的距离增大而迅速衰减的倏逝场成分。近场光学显微镜则是指在近场中进行光学测量，这种技术突破了光在远场中的衍射极限，使空间分辨率极限在原理上不再受到任何限制。此外，近场光学显微镜还具备改变样品表面纳米尺度结构的能力，进而可以应用于纳米制造与纳米光刻技术中。因此，近场光学显微镜在材料科学，生物科学和医学等领域应用非常广泛。

近场光学显微镜在工作时，入射的平行激光束超过全反射临界角并在样品表面激发倏逝场。当近场光学探针的针尖进入样品表面的倏逝场区域后，由于局部的全反射受抑，倏逝场光信号经由近场光学探针端面耦合进入光纤，并通过光电探测***将光信号转变为电信号，获得样品表面的光谱信息。在近场光学显微镜***中最重要的技术之一就是近场光学探针的设计和制备，其中近场光学探针的探针形状会影响***的传输效率，而探针针尖的尺寸则决定***的空间分辨率。当近场光学探针的孔径较小时，***的空间分辨率较高；但如果孔径过小，近场光学探针的截止频率升高，信号光强度减弱，信噪比降低，空间分辨率反而降低。因此，有必要优化近场光学探针的结构设计，制备出耦合效率和性噪比高的近场光学探针。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有保偏特性的光纤探针及其制备方法，能显著提高探针顶端偶极子体的辐射率，提高相干信噪比，制备过程容易精确控制，且可重复性好。该光纤探针除能应用于近场光学显微镜外，还能应用于拉曼光谱、白光纳米椭偏仪和超快泵浦的探测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有保偏特性的光纤探针，其特征在于，包括裸光纤探针和金属薄膜；所述裸光纤探针由去除保护层后的椭圆芯保偏光纤制得，所述裸光纤探针的一端为针尖结构，针尖下端面为椭圆形，针尖顶部沿针尖下端面的长轴方向存在凹槽，将针尖顶部分割成对称的两瓣；所述金属薄膜覆盖除所述凹槽外的所述裸光纤探针的表面，在针尖顶部形成两瓣金属薄膜，所述两瓣金属薄膜与所述凹槽形成表面等离子体增强结构。

优选地，所述金属薄膜的膜厚为50～150nm。

优选地，所述凹槽的槽宽为10～50nm。

优选地，所述金属薄膜的材料为金、银或铝。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述光纤探针的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）选取椭圆芯保偏光纤，去除保护层，得到裸光纤；

（2）采用拉锥法或化学刻蚀法在裸光纤的一端形成针尖，该针尖为类鸭嘴形，针尖下端面为椭圆形，构成鸭嘴结构的两曲面相交形成一条背脊线，该背脊线与针尖下端面的长轴共面；

（3）在所述步骤（2）得到的结构表面镀上一层金属薄膜；

（4）沿背脊线方向切除针尖顶部的一段背脊线，使被切除部分的光纤芯材裸露在外，同时使金属薄膜在针尖顶部分割成两瓣；

（5）沿针尖下端面的长轴方向，将针尖顶部裸露的芯材分割成两瓣，从而在两瓣金属薄膜间形成空气间隙，完成光纤探针的制备。

优选地，所述步骤（2）具体为：将含有HF和NH4F的混合溶液作为刻蚀液，在刻蚀液表面覆盖一层不溶于该刻蚀液的有机溶剂作为保护液，将裸光纤部分垂直***刻蚀液，使光纤下端暴露在刻蚀液中，直至针尖形成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、无背景场增强，利用探针顶端的两瓣金属薄膜能有效合并远-近场电磁模双向耦合时的场增强，从而显著提高探针顶端偶极子体的辐射率。

2、采用椭圆芯保偏光纤，通过双折射效应，消除普通光纤由于应力不对称而导致的光的偏振态变化，能提高相干信噪比。

3、制备过程容易精确控制，且可重复性好。

附图说明

图1是采用化学刻蚀法制备针尖的示意图；

图2是在针尖形成后的结构表面镀上一层金属薄膜后的结构示意图，其中，（a）为正视图；（b）为俯视图；（c）为右视图；

图3是金属薄膜在针尖顶部分割成两瓣后的结构示意图，其中，（a）为正视图；（b）为俯视图；（c）为右视图；

图4是最终制得的光纤探针结构示意图，其中，（a）为正视图；（b）为俯视图；（c）为右视图；（d）为立体图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的具有保偏特性的光纤探针包括裸光纤探针和金属薄膜。裸光纤探针由去除保护层后的椭圆芯保偏光纤制得，其一端为针尖结构，针尖下端面为椭圆形，针尖顶部沿针尖下端面的长轴方向存在凹槽，将针尖顶部分割成对称的两瓣，金属薄膜覆盖除凹槽外的裸光纤探针表面，在针尖顶部形成两瓣金属薄膜，这两瓣金属薄膜与凹槽形成表面等离子体增强结构。

其中，金属薄膜材料为金、银或铝，膜厚为50～150nm，原因在于，对于等离子体增强结构，金属薄膜的厚度过小，趋肤效应不显著，但金属薄膜的厚度过大会造成材料不必要的浪费。根据表面等离子体共振对尺寸的要求，凹槽的槽宽为10～50nm。

上述具有保偏特性的光纤探针可按如下方法制备：

（1）选取椭圆芯保偏光纤，去除保护层，得到裸光纤。

（2）采用拉锥法或化学刻蚀法在裸光纤的一端形成针尖，该针尖为类鸭嘴形，针尖下端面为椭圆形，构成鸭嘴结构的两曲面相交形成一条背脊线，该背脊线与针尖下端面的长轴共面。

化学刻蚀法具体为：将含有HF和NH4F的混合溶液作为刻蚀液，在刻蚀液表面覆盖一层不溶于该刻蚀液的有机溶剂作为保护液，将裸光纤部分垂直***刻蚀液，使光纤下端暴露在刻蚀液中，直至针尖形成。

（3）利用磁控溅射技术在步骤（2）得到的结构表面镀上一层金属薄膜。

（4）利用聚焦离子束微纳加工技术，沿背脊线方向切除针尖顶部的一段背脊线，使被切除部分的光纤芯材裸露在外，同时使金属薄膜在针尖顶部分割成两瓣。

（5）利用聚焦离子束微纳加工技术，沿针尖下端面的长轴方向，将针尖顶部裸露的芯材分割成两瓣，从而在两瓣金属薄膜间形成空气间隙，完成光纤探针的制备。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施例，对本发明的具有保偏特性的光纤探针的制备方法进行详细说明。

实施例1

具有保偏特性的光纤探针的制备方法具体为：

（1）选取椭圆芯保偏光纤，切割使其长度为12cm，去除树脂涂层，得到裸光纤，将裸光纤依次用酒精和去离子水清洗干净。

（2）将质量分数为40%的HF溶液、去离子水和质量分数为40%的NH4F溶液按体积比3:5:40混合均匀，得到刻蚀液，在刻蚀液表面覆盖一层甘油作为保护液，保护液的厚度为2mm。如图1所示，将裸光纤部分垂直***刻蚀液，使光纤下端暴露在刻蚀液中，刻蚀10h后，针尖形成。该针尖为类鸭嘴形，针尖下端面为椭圆形，构成鸭嘴结构的两曲面相交形成一条背脊线，该背脊线与针尖下端面的长轴共面。

（3）将步骤（2）得到的结构依次用酒精和去离子水清洗干净后，利用磁控溅射技术在其表面镀上一层铝膜，膜厚为150nm，形成如图2所示的结构。

（4）利用聚焦离子束微纳加工技术，沿背脊线方向切除针尖顶部的一段背脊线，使被切除部分的光纤芯材裸露在外，同时使金属薄膜在针尖顶部被分割成两瓣，形成如图3所示的结构。

（5）利用聚焦离子束微纳加工技术，沿针尖下端面的长轴方向，在针尖顶部裸露的芯材中形成凹槽，将针尖顶部分割成对称的两瓣，槽宽为50nm，从而在两瓣金属薄膜间形成空气间隙，完成光纤探针的制备，最终得到的光纤探针结构如图4所示。

如图4所示，按上述方法制得的光纤探针包括裸光纤探针2和金属薄膜1，裸光纤探针2的一端为针尖结构，针尖下端面为椭圆形，长轴为6μm，短轴为3μm，针尖顶部沿针尖下端面的长轴方向存在凹槽3，将针尖顶部分割成对称的两瓣，金属薄膜1覆盖除凹槽3外的裸光纤探针2的表面，针尖顶部的两瓣金属薄膜与凹槽3形成表面等离子体增强结构。

实施例2

具有保偏特性的光纤探针的制备方法具体为：

（1）选取椭圆芯保偏光纤，切割使其长度为10cm，去除树脂涂层，得到裸光纤，将裸光纤依次用酒精和去离子水清洗干净。

（2）将质量分数为40%的HF溶液、去离子水和质量分数为40%的NH4F溶液按体积比3:5:40混合均匀，得到刻蚀液，在刻蚀液表面覆盖一层甘油作为保护液，保护液的厚度为2mm。将裸光纤部分垂直***刻蚀液，使光纤下端暴露在刻蚀液中，刻蚀10h后，针尖形成。该针尖为类鸭嘴形，针尖下端面为椭圆形，构成鸭嘴结构的两曲面相交形成一条背脊线，该背脊线与针尖下端面的长轴共面。

（3）将步骤（2）得到的结构依次用酒精和去离子水清洗干净后，利用磁控溅射技术在其表面镀上一层银膜，膜厚为50nm。

（4）利用聚焦离子束微纳加工技术，沿背脊线方向切除针尖顶部的一段背脊线，使被切除部分的光纤芯材裸露在外，同时使金属薄膜在针尖顶部被分割成两瓣。

（5）利用聚焦离子束微纳加工技术，沿针尖下端面的长轴方向，在针尖顶部裸露的芯材中形成凹槽，将针尖顶部分割成对称的两瓣，槽宽为10nm，从而在两瓣金属薄膜间形成空气间隙，完成光纤探针的制备。

普通光纤的结构或所受的机械应力不可能完全对称，导致光在传播过程中会因双折射而使偏振态发生不规则变化。本发明采用椭圆芯保偏光纤，通过纤芯的椭圆形设计，人为地引入已知应力，使得光在传播时产生更加强烈的双折射，此时偏振态的变化规律可以根据已知应力求得，因而能消除偏振态不规则变化的影响。

测试样品时，信号光到达表面等离子体场增强结构，在两瓣金属薄膜间激励出表面等离子体，当两瓣金属薄膜间的间隙满足波矢匹配条件时，间隙处便会发生场增强效应。增强后的信号光经耦合进入光纤传输并通过光电探测***将光信号转变为电信号，获得样品表面的光谱信息，从而实现突破远场衍射极限的成像。

本发明并不局限于上述实施例，具体地，金属薄膜材料并不局限于银或铝，膜厚并不局限于50nm或150nm，凹槽的槽宽并不局限于10nm或50nm，更一般地，金属薄膜材料可以为金、银或铝中的任意一种，膜厚可以为50～150nm范围内的任何值，例如80nm或100nm，槽宽可以为10～50nm范围内的任何值，例如20nm或30nm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有保偏特性的光纤探针的制备方法，所述光纤探针包括裸光纤探针和金属薄膜；所述裸光纤探针由去除保护层后的椭圆芯保偏光纤制得，所述裸光纤探针的一端为针尖结构，针尖下端面为椭圆形，针尖顶部沿针尖下端面的长轴方向存在凹槽，将针尖顶部分割成对称的两瓣；所述金属薄膜覆盖除所述凹槽外的所述裸光纤探针的表面，在针尖顶部形成两瓣金属薄膜，所述两瓣金属薄膜与所述凹槽形成表面等离子体增强结构；其特征在于，包括如下步骤：

(1)选取椭圆芯保偏光纤，去除保护层，得到裸光纤；

(2)采用拉锥法或化学刻蚀法在裸光纤的一端形成针尖，该针尖为类鸭嘴形，针尖下端面为椭圆形，构成鸭嘴结构的两曲面相交形成一条背脊线，该背脊线与针尖下端面的长轴共面；

(3)在所述步骤(2)得到的结构表面镀上一层金属薄膜；

(4)沿背脊线方向切除针尖顶部的一段背脊线，使被切除部分的光纤芯材裸露在外，同时使金属薄膜在针尖顶部分割成两瓣；

(5)沿针尖下端面的长轴方向，将针尖顶部裸露的芯材分割成两瓣，从而在两瓣金属薄膜间形成空气间隙，完成光纤探针的制备。

2.如权利要求1所述的光纤探针的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：将含有HF和NH₄F的混合溶液作为刻蚀液，在刻蚀液表面覆盖一层不溶于该刻蚀液的有机溶剂作为保护液，将裸光纤部分垂直***刻蚀液，使光纤下端暴露在刻蚀液中，直至针尖形成。

3.如权利要求1或2所述的光纤探针的制备方法，其特征在于，所述金属薄膜的膜厚为50～150nm。

4.如权利要求1或2所述的光纤探针的制备方法，其特征在于，所述空气间隙的宽度为10～50nm。

5.如权利要求1或2所述的光纤探针的制备方法，其特征在于，所述金属薄膜的材料为金、银或铝。

6.一种用权利要求1至5中任一项所述的方法制备的光纤探针。