CN107782710A - 锥形光学针 - Google Patents
锥形光学针 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107782710A CN107782710A CN201611243250.3A CN201611243250A CN107782710A CN 107782710 A CN107782710 A CN 107782710A CN 201611243250 A CN201611243250 A CN 201611243250A CN 107782710 A CN107782710 A CN 107782710A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tip
- tapered optical
- optical pin
- surface plasmon
- pin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 85
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 32
- 238000007639 printing Methods 0.000 claims description 26
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 15
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 claims description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 2
- VDGJOQCBCPGFFD-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-) silicon(4+) titanium(4+) Chemical compound [Si+4].[O-2].[O-2].[Ti+4] VDGJOQCBCPGFFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 18
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 17
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 10
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 4
- 238000000772 tip-enhanced Raman spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000004416 surface enhanced Raman spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 230000006820 DNA synthesis Effects 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000427 antigen Substances 0.000 description 1
- 102000036639 antigens Human genes 0.000 description 1
- 108091007433 antigens Proteins 0.000 description 1
- 238000004166 bioassay Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- XPPKVPWEQAFLFU-UHFFFAOYSA-J diphosphate(4-) Chemical compound [O-]P([O-])(=O)OP([O-])([O-])=O XPPKVPWEQAFLFU-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229940088597 hormone Drugs 0.000 description 1
- 239000005556 hormone Substances 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
- G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
- G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/008—Surface plasmon devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
- G01N2021/653—Coherent methods [CARS]
- G01N2021/655—Stimulated Raman
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
- G01N2021/653—Coherent methods [CARS]
- G01N2021/656—Raman microprobe
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1226—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths involving surface plasmon interaction
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
一种锥形光学针，包括锥形透光针及表面等离子体振子波传递层。锥形透光针具有第一尖端、底部及连接第一尖端与底部的弯曲表面。表面等离子体振子波传递层配置于弯曲表面上且覆盖第一尖端，其中表面等离子体振子波传递层具有弯曲狭缝结构。弯曲狭缝结构包括多个从第一尖端往底部的边缘排列且位于第一尖端与底部的边缘之间的弯曲部分，且这些弯曲部分的延伸方向不同于从第一尖端往底部的边缘的方向。
Description
技术领域
本发明是有关于一种光学结构，且特别是有关于一种锥形光学针。
背景技术
随着科技的发展，材料与元件的尺寸已缩小达到了纳米尺寸，因此把人们带入了新的纳米科技世代。在众多的纳米科技技术发展中，纳米显微术以及操控术一直受到广泛的重视，其技术可以材料的特性进而掌控原子、分子，或分子的排列结构，并进一步创造出应用于人类生活中的新技术，如光刻技术、纳米材料感测技术、微量药物检测、DNA检测等。然而，在光学技术开发中，由于光学透镜受限于阿贝衍射极限(Abbe’s diffractionlimit)，使得光源尺寸仅能为约数百纳米以上，大大限制了光学技术的发展。另一方面，在光学检测技术中，由于光源与纳米物质的尺寸差距太大，使得光与物质之间的交互作用力效率低，因而造成光学检测的感测度不足，如微弱的拉曼信号。因此，在纳米科技技术的进展之下，研发出稳定的纳米光源为目前热门的研究趋势之。
在目前的纳米科技技术发展中，表面等离子体振子(Surface Plasmon)的研究占有重要的地位。表面等离子体振子是一种存在于金属与介电质接口之间的集体电子气体共振波，此种共振波经由特殊的结构设计可产生电磁场纳米聚焦效应，以形成纳米光源，这种纳米光源具有纳米尺寸，可与同为纳米尺寸的物质产生高效率的交互作用力，进而提高光学检验的感测度与灵敏度达到单一分子等级。在生活层面中，纳米光源技术可应用于检测环境及食物中的污染物如塑化剂、环境荷尔蒙、磷酸盐…等，或着可应用于生物医药领域检测如非染料型的生物标定、抗原检测、DNA合成、药物或生物体筛检及组织检测等。此外，在显微镜领域中，纳米光源技术可结合针尖增强拉曼光谱法(TERS，Tip Enhanced RamanSpectroscopy)并应用于原子力显微镜(AFM，Atomic Force Microscope)中，使得这种仪器同时具备表面增强拉曼散射(SERS，Surface-Enhanced Raman Spectroscopy)的灵敏度与原子力显微镜所提供的超高光谱分辨率。
在目前的纳米光源结构发展中，在探针的针状结构前端开口100nm，使得在开口近场处产生纳米尺度光源，然而此种结构的纳米尺度光源其强度会受限于贝特定律(Bethe’stheory)，使得纳米光源的光通量仅有10-5至10-7的光转换效率而降低信噪比。为了保持足够的信噪比例而缩短量测时间或曝光微影的时间，此种结构的孔径实际大小约为50至100nm，这将导致光学分辨率仅能在50至100nm且空间分辨率大于100nm。
发明内容
本发明提供一种锥形光学针，可借由激发光源而在其尖端处产生纳米光源，以提高分辨率及发光增益，或由尖端处接收光信号，以提高量测分辨率。
本发明的一实施例提出一种锥形光学针，包括锥形透光针及表面等离子体振子波传递层。锥形透光针具有第一尖端、底部及连接第一尖端与底部的弯曲表面。表面等离子体振子波传递层配置于弯曲表面上且覆盖第一尖端，其中表面等离子体振子波传递层具有弯曲狭缝结构。弯曲狭缝结构包括多个从第一尖端往底部的边缘排列且位于第一尖端与底部的边缘之间的弯曲部分，且这些弯曲部分的延伸方向不同于从第一尖端往底部的边缘的方向。
在本发明的实施例的锥形光学针中，表面等离子体振子波传递层具有弯曲狭缝结构，以在表面等离子体振子波传递层上诱发出表面等离子体振子波。如此一来，本发明的实施例的锥形光学针可使表面等离子体振子波传递至锥形光学针的尖端，且在此尖端处形成纳米聚焦效应以产生出高效率纳米尺寸光源，可以提高分辨率及发光增益。或者，本发明的实施例的锥形光学针可以从锥形光学针的尖端接收光信号，以提高量测分辨率。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一实施例的锥形光学针的侧视图。
图2为图1的锥形光学针的剖面图。
图3A为图1的锥形光学针的俯视图。
图3B与图3C为另一实施例的锥形光学针的俯视图。
图4为具有图1的锥形光学针的光源装置的示意图。
图5A与图5B分别为径向的线偏振光与线偏振光的横截面示意图。
图6A至图6C为本发明一实施例的锥形光学针的制作流程图。
图7为本发明一实施例的锥形光学针的环状结构数与光强度增益比的变化折线图。
图8为图4的光源装置的纳米光源光强度增益与距尖端处距离的变化曲线图。
附图标记说明：
50、50a、50b、50c：锥形光学针
75：光源装置
100：锥形透光针
120：底部
200：表面等离子体振子波传递层
210：弯曲狭缝结构
220：反射层
300：激发光源
410、420：曲线
A：溅镀方向
E：参考平面
L1、L2：距离
LB1：激发光束
LB2：纳米尺寸光源
K1、K2：偏振方向
P：弯曲部分
R：边缘
S1：弯曲表面
S2：外表面
T1：第一尖端
T2：第二尖端
W：半高宽
具体实施方式
图1为本发明的一实施例的锥形光学针的侧视图。图2为图1的锥形光学针的剖面图。请参考图1至图2，在本发明的一实施例中，锥形光学针50包括锥形透光针100及表面等离子体振子波传递层200。锥形透光针100具有第一尖端T1、底部120及连接第一尖端T1与底部120的弯曲表面S1。具体而言，本实施例的锥形透光针100是一个圆对称锥形结构，而弯曲表面S1实际上即为锥形透光针100中的锥形表面，此锥形表面可以是类抛物线曲面、圆锥曲面，或是其他圆对称锥形曲面，本实施例以弯曲表面S1为类抛物线曲面为例，如图1所示，但本发明不限于此。
图3A为图1的锥形光学针的俯视图。图3B与图3C为另一实施例的锥形光学针的俯视图。图4为具有图1的锥形光学针的光源装置的示意图。请同时参考图2至图4，在本实施例中，光源装置75包括锥形光学针50以及用以发出激发光束LB1至锥形光学针50的激发光源300，其中表面等离子体振子波传递层200配置于弯曲表面S1上，具体而言，表面等离子体振子波传递层200覆盖锥形透光针100的第一尖端T1与弯曲表面S1。表面等离子体振子波传递层200具有弯曲狭缝结构210，具体而言，这里所陈述的弯曲狭缝结构210实际上即为缺口，如图2所示。因此在内部的锥形透光针100可借由缺口同时接触表面等离子体振子波传递层200与空气，当激发光源300提供从底部120入射锥形透光针100的径向偏振光时，便会在弯曲狭缝结构210处诱发出表面等离子体振子波，并使表面等离子体振子波在等离子体振子波传递层200的背对锥形透光针100的外表面S2上传递。在本实施例中，锥形透光针100的材料包括二氧化硅，例如是主要成分为二氧化硅的玻璃，而表面等离子体振子波传递层200的材质可为金属，例如是金、银、铝等，这可用于激发光束LB1是可见光光束的时候，这是因为二氧化硅对可见光而言为透光材质。在其他的实施例中，锥形透光针100的材料包括硅，例如其主要成分为硅，而表面等离子体振子波传递层200可为半导体材料所构成，例如是碳化硅，这可用于激发光束LB1是红外光光束的时候，这是因为硅对红外光而言为透光材质，但本发明不限于此。
此外，在本实施例中，表面等离子体振子波传递层200的厚度大于激发光束LB1可穿透表面等离子体振子波传递层200的穿透深度D，此穿透深度D符合其中λ为激发光束LB1的波长，n″sp为表面等离子体振子波传递层200的折射系数的虚部。而弯曲狭缝结构210的狭缝宽度B符合换句话说，弯曲狭缝结构210的狭缝宽度B小于激发光束LB1的半波长，可降低狭缝的透光度以减少噪声，但本发明不限于此。
另一方面，弯曲狭缝结构210包括多个从第一尖端T1往底部120的边缘R排列且位于第一尖端T1与底部的边缘R之间的弯曲部分P，且这些弯曲部分P的延伸方向不同于从第一尖端T1往底部120的边缘R的方向。具体而言，弯曲狭缝结构210是一个圆对称的且延伸成一个圆的圆环状狭缝，如图3A所绘示。然而，在其他实施例中，若以俯视角度来看，弯曲狭缝结构210可以是一个连续的螺旋状狭缝(如图3C所绘示)，也可以是由多个不同半径大小的C形环状狭缝(如图3B所绘示)，并且以第一尖端T1为其共同圆心所构成。本实施例以环状狭缝为例，如图3A所示，但本发明不限于此。除此之外，在其他实施例中，弯曲狭缝结构210在平行于底部120的参考平面E上的正投影的中心处与第一尖端T1在参考平面E上的正投影距离不超过用以驱动锥形光学针50的激发光束LB1的波长的十分之一。举例而言，以环形结构为例，则此环形结构的圆心处在参考平面E上的正投影与第一尖端T1在参考平面E上的正投影的距离可在激发光束LB1波长的十分之一之内，但本发明不限于此。
另一方面，在表面等离子体振子波传递层200的背对第一尖端T1的一端为第二尖端T2，且在这些从锥形透光针100的第一尖端T1往底部120的边缘R排列的弯曲部分P中，离第二尖端T2最近的弯曲部分P与第二尖端T2的距离及各相邻的弯曲部分P之间的距离皆不相同。简而言之，从第一尖端T1排列至底部120边缘R的每相邻的弯曲部分P的距离为特定距离，且彼此之间的距离皆不相同，以产生出表面等离子体振子共振。也就是说，这些弯曲部分P位于使表面等离子体振子波传递层200的外表面S2处发生表面等离子体振子共振的位置。详细而言，这些弯曲部分P的实际位置是经由二维仿真程序依据弯曲狭缝结构210的外表面S2的外观，由中心处向外所一一决定出，接着在透过三维仿真程序，以仿真出在第二尖端T2处所产生优化的电磁场强度。举例而言，第二尖端T2至最靠近第二尖端T2的弯曲部分P的距离L1为10倍的表面等离子体振子波半波长，最靠近第二尖端T2的弯曲部分P至第二靠近第二尖端T2的弯曲部分P的距离L2为6倍的表面等离子体振子波半波长，第二靠近第二尖端T2的弯曲部分P至第三靠近第二尖端T2的弯曲部分P的距离L3为3倍的表面等离子体振子波半波长，第三靠近第二尖端T2的弯曲部分P至第四靠近第二尖端T2的弯曲部分P的距离L4为4倍的表面等离子体振子波半波长，第四靠近第二尖端T2的弯曲部分P至第五靠近第二尖端T2的弯曲部分P的距离L5为1倍的表面等离子体振子波半波长，第五靠近第二尖端T2的弯曲部分P至第六靠近第二尖端T2的弯曲部分P的距离L6为2倍的表面等离子体振子波半波长，如图2所绘示(仅绘示出L1及L2为代表)。换句话说，离第二尖端T2最近的弯曲部分P与第二尖端T2的距离及各相邻的弯曲部分P之间的距离可以为所激发出的表面等离子体振子波半波长的正整数倍。另一方面，弯曲狭缝结构210中这些从第二尖端T2往底部120的边缘R排列的弯曲部分P至第二尖端T2的距离L符合目其中ksp为表面等离子体振子波的波向量常数，k′sp与ik″sp分别为ksp的实部与虚部，ω为激发光源频率，c为光速，ε1为所述表面等离子体振子波传递层的介电系数，ε2为所述锥形透光针100的介电系数的实部。透过仿真程序优化的弯曲狭缝结构210及其中弯曲部分P的位置设置，可大幅增加锥形光学针50的聚焦效应，并且其电场增益强度远高于目前一般主流的光学探针。
图5A与图5B分别为径向的线偏振光与线偏振光的横截面示意图。请参考图4至图5B，本发明的锥形光学针50用以被激发光束LB1所驱动，其中激发光束LB1可以是径向线偏振光(如图5A所示)，其由底部120处朝第一尖端T1处且垂直于参考平面E的方向射入以驱动锥形光学针50。径向线偏振光在环绕光束的中心轴的各部分的偏振方向K1是在与中心轴垂直的径向上，如图5A所绘示。在其他实施例中，激发光束LB1也可以是线偏振光(如图5B所示)，其由底部120处朝第一尖端T1处且与参考平面E具有夹角的方向射入以驱动锥形光学针50，换句话说，为线偏振光的激发光束LB1的入射方向与第一尖端T1至底部120中心处的方向彼此不平行，但本发明不限于此。线偏振光的偏振方向K2垂直于光束的中心轴，但整个光束的偏振方向K2是朝向同一方向。当锥形光学针50被激发光束LB1驱动时，弯曲狭缝结构210会在表面等离子体振子波传递层200上诱发出表面等离子体振子波，且在第二尖端T2处聚焦为纳米尺寸光源LB2。详细而言，当激发光束LB1入射至锥形透光针100时，便会在弯曲狭缝结构210处诱发出表面等离子体振子波，并使表面等离子体振子波在等离子体振子波传递层200的外表面S2上传递以形成表面等离子体振子共振。最后，表面等离子体振子波在第二尖端T2处聚焦成纳米尺寸光源LB2。
图6A至图6C为本发明一实施例的锥形光学针的制作流程图。请参考图6A至图6C，依照本发明的锥形光学针50的制作步骤中，首先，准备一个连接基板的锥形透光针100，其锥形透光针100可以是由二氧化硅以非等向性蚀刻制程制作而成，具有第一尖端T1及底部120，如图6A所示。接着，在锥形透光针100由底部120朝向第一尖端T1的方向上，以及由第一尖端T1朝向底部120的方向上分别以溅镀的方式镀上反射层220及表面等离子体振子波传递层200(如图6B所绘示出的溅镀方向A)。在本实施例中，镀上的反射层220及表面等离子体振子波传递层200的材质为金属，例如是金，如图6B所示，但本发明不限于此。接着，利用聚焦离子束将位在底部120处的基板挖空，以使让激发光源通过，在其他的实施例中，位在底部120处的基板亦可不挖空以使得锥形光学针50可做为探针使用，其中反射层220可做为反射面用以反射例如是原子力显微镜中的激光束。另一方面，根据事先利用二维仿真程序依据锥形透光针100的弯曲表面S1的外观所决定出的弯曲狭缝结构210位置数据，利用聚焦离子束将弯曲表面S1上挖出并形成弯曲狭缝结构210，以完成本发明的锥形光学针50，如图6C所示。
图7为本发明一实施例的锥形光学针的环状结构数与光强度增益比的变化折线图。图8为图4的光源装置的纳米光源光强度增益与距尖端处距离的变化曲线图。请参考图3A、图7及图8，如先前段落所陈述，本发明的锥形光学针50中的弯曲狭缝结构210，其实际位置由二维仿真程序采用径向线偏振光并根据等离子体振子波共振条件所决定。图7中的曲线410表示了弯曲狭缝结构210中环状结构数所对应的光强度增益对于激发光束LB1的强度增益的比值其中Etip是指位于第二尖端T2的电场，而Eillumination是指激发光束LB1的电场，如图7中左侧刻度所绘示，光强度增益比会随着环状结构数而增加，并且在环状结构数越大时增加较为和缓。举例而言，当环状结构数为1时，其光强度增益比EF1可达到近30，当环状结构数为2时，其光强度增益比EF2可达到近50，因此增加环状数可增加整体光强度增益。如图7中曲线410。另一方面，图7中的曲线420表示了弯曲狭缝结构210中有N个环状结构时对于有N-1环状结构时的光强度增益的效率(其中EFN代表有N个环状结构时的EF值(即光强度增益比))，其增益效率随环状结构数的增加逐渐减缓，如图7中右侧刻度所绘示。举例而言，环状结构数为1与环状结构数为0的光强度增益效率可达到约13，而环状结构数为2与环状结构数为1的光强度增益效率可达到约2。因此由图7的结果可知，七环状结构的锥形光学针50的增益效果与六环状结构的锥形光学针50的增益效果差异不大，因此本发明的优化六环状结构的锥形光学针50已可达到光场强度增益优化。值得一提的是，一般孔隙式探针其电场增益约为100倍，而依据本发明所制作的锥形光学针50其光强度增益可达约4000倍(如图8所绘示)，增益效果是一般孔隙式探针的40倍，在第二尖端T2处，其电场增益甚至可达约7000倍。另一方面，在第二尖端T2所激发出的纳米尺寸光源LB2，根据光强度增益与距第二尖端T2的距离的关系可知其半高宽W约为7.8纳米，再加上本案所使用的探针为无孔隙式探针，因此可缩小针尖半径，提升空间分辨率。换句话说，此纳米尺寸光源LB2的尺寸大小即可视为7.8纳米，且本发明的锥形光学针50的光学分辨率可达小于10纳米的尺寸。
依据本发明的锥形光学针50，在制程上可进一步结合微机电***技术(MEMS，Microelectromechanical Systems)，较以往光学探针的稳定性高，因此在商业中的应用性更高。本发明的锥形光学针50亦可应用在材料检测领域上当作探针(probe)使用，例如是应用于近场扫描式光学显微镜(NSOM)、针尖增益拉曼光谱(TERS)或是发光二极管(LED)元件上做为光耦合结构使用。也就是说，本发明的实施例的锥形光学针50亦可由第二尖端T2接收外界的光信号，以提高量测分辨率。
综上所述，在本发明的实施例锥形光学针中，表面等离子体振子波传递层具有弯曲狭缝结构，以在表面等离子体振子波传递层上诱发出表面等离子体振子波。如此一来，本发明的实施例的锥形光学针可使表面等离子体振子波传递至锥形光学针的尖端，且在此尖端处形成纳米聚焦效应以产生出高效率纳米尺寸光源，可以提高分辨率及发光增益。或者，本发明的实施例的锥形光学针可以从锥形光学针的尖端接收光信号，以提高量测分辨率。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，本发明的保护范围当视权利要求书的界定为准。
Claims (13)
1.一种锥形光学针，其特征在于，包括：
锥形透光针，具有第一尖端、底部及连接所述第一尖端与所述底部的弯曲表面；以及
表面等离子体振子波传递层，配置于所述弯曲表面上且覆盖所述第一尖端，其中所述表面等离子体振子波传递层具有弯曲狭缝结构，所述弯曲狭缝结构包括多个从所述第一尖端往所述底部的边缘排列且位于所述第一尖端与所述底部的边缘之间的弯曲部分，且所述多个弯曲部分的延伸方向不同于从所述第一尖端往所述底部的边缘的方向。
2.根据权利要求1所述的锥形光学针，其特征在于，所述锥形光学针被激发光源驱动，此时所述弯曲狭缝结构处会诱发出表面等离子体振子波，所述多个弯曲部分位于使所述表面等离子体振子波传递层的背对所述锥形透光针的表面处发生表面等离子体振子共振的位置，且所述表面等离子体振子波传递层的背对所述第一尖端的一端处聚焦为纳米尺寸光源。
3.根据权利要求2所述的锥形光学针，其特征在于，所述激发光源提供径向线偏振光以驱动所述锥形光学针。
4.根据权利要求2所述的锥形光学针，其特征在于，所述激发光源提供线偏振光至所述锥形光学针，以驱动所述锥形光学针，且所述线偏振光的入射方向与所述第一尖端至所述底部中心处的方向彼此不平行。
5.根据权利要求1所述的锥形光学针，其特征在于，所述锥形透光针为圆对称锥形结构。
6.根据权利要求5所述的锥形光学针，其特征在于，所述弯曲表面为类抛物曲面。
7.根据权利要求1所述的锥形光学针，其特征在于，所述锥形透光针的材料包括二氧化硅。
8.根据权利要求7所述的锥形光学针，其特征在于，所述表面等离子体振子波传递层的材质为金属。
9.根据权利要求1所述的锥形光学针，其特征在于，所述锥形透光针的材料包括硅。
10.根据权利要求9所述的锥形光学针，其特征在于，所述表面等离子体振子波传递层为半导体材料。
11.根据权利要求1所述的锥形光学针，其特征在于，所述表面等离子体振子波传递层的背对所述第一尖端的一端为第二尖端，所述多个弯曲部分中离所述第二尖端最近的弯曲部分与所述第二尖端的距离及所述多个相邻的弯曲部分之间的距离皆不相同。
12.根据权利要求11所述的锥形光学针，其特征在于，所述锥形光学针被激发光源驱动，所述弯曲狭缝结构中所述多个从所述第二尖端往所述底部的边缘排列的弯曲部分至所述第二尖端的距离L符合且其中ksp为表面等离子体振子波的波向量常数，k′sp与ik″sp分别为ksp的实部与虚部，ω为所述激发光源频率，c为光速，ε1为所述表面等离子体振子波传递层的介电系数，ε2为所述锥形透光针的介电系数的实部。
13.根据权利要求2所述的锥形光学针，其特征在于，所述弯曲狭缝结构在平行于所述底部的参考平面上的正投影的中心与所述第一尖端在所述参考平面上的正投影距离不超过用以驱动所述锥形光学针的激发光源波长的十分之一。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201662378684P | 2016-08-24 | 2016-08-24 | |
| US62/378,684 | 2016-08-24 | ||
| TW105142127A TWI638991B (zh) | 2016-08-24 | 2016-12-20 | 錐形光學針 |
| TW105142127 | 2016-12-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107782710A true CN107782710A (zh) | 2018-03-09 |
| CN107782710B CN107782710B (zh) | 2020-08-11 |
Family
ID=58714898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201611243250.3A Active CN107782710B (zh) | 2016-08-24 | 2016-12-29 | 锥形光学针 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10088424B2 (zh) |
| EP (1) | EP3287823B1 (zh) |
| CN (1) | CN107782710B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112964908A (zh) * | 2021-02-04 | 2021-06-15 | 西安交通大学 | 一种用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针及其工作方法 |
| WO2022165926A1 (zh) * | 2021-02-04 | 2022-08-11 | 西安交通大学 | 一种锥形光纤结合半环非对称纳米狭缝的等离激元探针及其工作方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160026275A1 (en) * | 2014-07-23 | 2016-01-28 | Verifone, Inc. | Data device including ofn functionality |
| US10332553B1 (en) * | 2017-12-29 | 2019-06-25 | Headway Technologies, Inc. | Double ridge near-field transducers |
| CN110955054A (zh) * | 2019-11-26 | 2020-04-03 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种基于角向偏振光的纳米光针的产生方法 |
| CN111721750A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-09-29 | 深圳大学 | 提高原子力显微镜非接触模式ters信号的方法及装置 |
| CN111999904B (zh) * | 2020-08-26 | 2022-04-15 | 东南大学 | 一种产生超手性光场的装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007155454A (ja) * | 2005-12-02 | 2007-06-21 | Ricoh Co Ltd | 光ファイバプローブおよび検査方法および検査装置 |
| US20130115454A1 (en) * | 2011-11-09 | 2013-05-09 | National Taiwan University | Optical head |
| CN104769732A (zh) * | 2012-09-18 | 2015-07-08 | Glo公司 | 纳米角锥体大小的光电子结构及其制造方法 |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6236783B1 (en) * | 1996-09-06 | 2001-05-22 | Kanagawa Academy Of Science And Technology | Optical fiber probe and manufacturing method therefor |
| JP3513448B2 (ja) | 1999-11-11 | 2004-03-31 | キヤノン株式会社 | 光プローブ |
| US6834027B1 (en) | 2000-02-28 | 2004-12-21 | Nec Laboratories America, Inc. | Surface plasmon-enhanced read/write heads for optical data storage media |
| US20050031278A1 (en) | 2003-05-16 | 2005-02-10 | Xiaolei Shi | Near-field sub-wavelength apertures |
| US7250598B2 (en) | 2004-01-02 | 2007-07-31 | Hollingsworth Russell E | Plasmon enhanced near-field optical probes |
| US7054528B2 (en) | 2004-04-14 | 2006-05-30 | Lucent Technologies Inc. | Plasmon-enhanced tapered optical fibers |
| US7272079B2 (en) | 2004-06-23 | 2007-09-18 | Seagate Technology Llc | Transducer for heat assisted magnetic recording |
| KR100584987B1 (ko) | 2004-10-11 | 2006-05-29 | 삼성전기주식회사 | 표면 플라즈몬파를 이용한 피라미드 형상의 근접장 탐침 |
| JP2007155453A (ja) | 2005-12-02 | 2007-06-21 | Ricoh Co Ltd | 光ファイバプローブおよび検査方法および検査装置 |
| WO2008105888A2 (en) * | 2006-05-31 | 2008-09-04 | Georgia Tech Research Corporation | Integrated sensing probes, methods of fabrication thereof, and methods of use thereof |
| DE102006040057A1 (de) | 2006-08-26 | 2008-02-28 | MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Vorrichtung zur nanometrischen Fokussierung von Licht unter Ausnutzung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen |
| US7772555B2 (en) * | 2007-02-05 | 2010-08-10 | Itn Energy Systems, Inc. | Plasmon coupling apparatus and method |
| IT1397108B1 (it) | 2008-09-23 | 2012-12-28 | Calmed S R L | Procedimento di fabbricazione di un dispositivo a cristallo fotonico provvisto di guida d'onda plasmonica. |
| CN101447235B (zh) | 2008-12-30 | 2010-09-15 | 安徽师范大学 | 一种局域表面等离子体共振增强近场光学探针 |
| KR101117220B1 (ko) | 2010-02-11 | 2012-03-20 | 연세대학교 산학협력단 | 플라즈모닉 광학 장치의 병렬 프로브의 제조방법 |
| JP5560891B2 (ja) * | 2010-05-13 | 2014-07-30 | セイコーエプソン株式会社 | 光デバイス及び分析装置 |
| JP5911856B2 (ja) | 2010-06-18 | 2016-04-27 | グロ アーベーＧｌｏ Ａｂ | ナノワイヤｌｅｄの構造体およびそれを製作する方法 |
| US8424111B2 (en) | 2010-06-23 | 2013-04-16 | Olympus Corporation | Near-field optical microscope, near-field optical probe, and sample observation method |
| CN103176283B (zh) | 2013-03-29 | 2014-11-26 | 南开大学 | 微介质锥和纳金属光栅复合的光学探针 |
| TW201511334A (zh) | 2013-06-07 | 2015-03-16 | Glo Ab | 具有經減低漏電之奈米線發光二極體結構及其製造方法 |
| CN103837709B (zh) | 2014-03-04 | 2016-03-30 | 国家纳米科学中心 | 一种表面等离子体激元增强针尖及针尖增强方法 |
-
2016
- 2016-12-25 US US15/390,525 patent/US10088424B2/en active Active
- 2016-12-29 CN CN201611243250.3A patent/CN107782710B/zh active Active
-
2017
- 2017-04-19 EP EP17166975.7A patent/EP3287823B1/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007155454A (ja) * | 2005-12-02 | 2007-06-21 | Ricoh Co Ltd | 光ファイバプローブおよび検査方法および検査装置 |
| US20130115454A1 (en) * | 2011-11-09 | 2013-05-09 | National Taiwan University | Optical head |
| CN104769732A (zh) * | 2012-09-18 | 2015-07-08 | Glo公司 | 纳米角锥体大小的光电子结构及其制造方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112964908A (zh) * | 2021-02-04 | 2021-06-15 | 西安交通大学 | 一种用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针及其工作方法 |
| CN112964908B (zh) * | 2021-02-04 | 2022-05-20 | 西安交通大学 | 一种用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针及其工作方法 |
| WO2022165926A1 (zh) * | 2021-02-04 | 2022-08-11 | 西安交通大学 | 一种锥形光纤结合半环非对称纳米狭缝的等离激元探针及其工作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107782710B (zh) | 2020-08-11 |
| US20180059025A1 (en) | 2018-03-01 |
| EP3287823B1 (en) | 2020-11-18 |
| US10088424B2 (en) | 2018-10-02 |
| EP3287823A1 (en) | 2018-02-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107782710A (zh) | 锥形光学针 | |
| Volpe et al. | Roadmap for optical tweezers | |
| US8810787B2 (en) | Single molecule optical spectroscopy in solid-state nanopores in a transmission-based approach | |
| Lindquist et al. | Tip‐based plasmonics: squeezing light with metallic nanoprobes | |
| Wang et al. | Angle effect in laser nanopatterning with particle-mask | |
| CN104422683A (zh) | 分析装置、分析方法、光学元件及电子设备 | |
| TW201027065A (en) | Localized plasmon resonance sensing element and system thereof | |
| US10877065B2 (en) | Near field scanning probe microscope, probe for scanning probe microscope, and sample observation method | |
| Chen et al. | Sensing the moving direction, position, size, and material type of nanoparticles with the two-photon-induced luminescence of a single gold nanorod | |
| EP1553401A1 (en) | Raman spectroscopy method and device | |
| Saito et al. | Size dependence of bandgaps in a two-dimensional plasmonic crystal with a hexagonal lattice | |
| Pan et al. | Rapid bending origami in micro/nanoscale toward a versatile 3D metasurface | |
| Granchi et al. | Near-field hyper-spectral imaging of resonant Mie modes in a dielectric island | |
| Chaigneau et al. | Molecular arrangement in self-assembled azobenzene-containing thiol monolayers at the individual domain level studied through polarized near-field Raman spectroscopy | |
| CN103288046A (zh) | 一种二维周期性v型金属等离子共振结构及其制备方法 | |
| Singh et al. | Far-field control of nanoscale hotspots by near-field interference | |
| CN206767638U (zh) | 微机电器件和微型投影仪 | |
| Bergmann et al. | A low-cost AFM setup with an interferometer for undergraduates and secondary-school students | |
| CN106950218A (zh) | 一种表面增强拉曼散射基底及其制备方法 | |
| TWI638991B (zh) | 錐形光學針 | |
| Karelits et al. | Advanced Surface Probing Using a Dual-Mode NSOM–AFM Silicon-Based Photosensor | |
| Wang et al. | Simulation of Optical Nano-Manipulation with Metallic Single and Dual Probe Irradiated by Polarized Near-Field Laser | |
| CN207751878U (zh) | 一种表面增强拉曼散射基底 | |
| JP2006038774A (ja) | 近接場光評価装置 | |
| Xu et al. | Terahertz near-field imaging of graphene disks |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |