CN111637985A - 一种倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，该光热探针包括纤芯和金属层，纤芯包括倾斜端面，金属层覆盖纤芯的侧面和倾斜端面，并延伸出倾斜端面，形成探头。使用时，纤芯中的光耦合到金属层，并且传播到探头，探头激发待测样品发热，热通过探头收集，并传递给金属层。通过探测金属层的温度，实现待测样品局域和微区光热特性的探测。本发明应用倾斜端面将更多的光耦合进入金属层，倾斜端面提高了位相差并加强了光与金属层的作用，所以能够将更多的光耦合进入金属层，提高了光的耦合效率。此外，本发明中，光纤没有被拉锥，光纤的直径没有变细，结构的稳定性强，整个探针的寿命长，在微纳区域光热探测领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光热探测领域，具体涉及一种倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针。
背景技术
近年来，发展起来的近场光学为研究材料的局域光学特性提供了新手段。在近场光学探针的激发或收集下，实现了介观尺度上的光场高分辨激发与收集，为微纳光学器件设计和材料微区光学特性表征的提供了重要手段。
光热效应实现了新型光能转换途径，提供了新型太阳能利用的方式。
研究新型光热材料的局域、微区光热特征对于理解材料整体光热效应、提高光热材料的光热性能至关重要。
在光热探针的设计中，设计的难度之一是如何将更多的光能量聚集在小区域，针对小区域实现更强的光激发。另外，提高探针的强度，增加探针的寿命也是光热探针设计中需要关注的因素。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，该光热探针包括纤芯和金属层；纤芯包括倾斜端面，金属层从纤芯的侧面延伸至倾斜端面，并伸出倾斜端面，形成探头；使用时，纤芯中的光耦合到金属层，并且传播到探头，探头激发待测样品发热，热通过探头收集，并传递给金属层。
更进一步地，探头置于倾斜端面的最底部。
更进一步地，在倾斜端面处的金属层中设有缝隙。
更进一步地，缝隙的方向垂直于纤芯的轴线方向。
更进一步地，在倾斜端面处的金属层中设有矩形孔洞。
更进一步地，矩形孔洞的边垂直于纤芯的轴线方向。
更进一步地，倾斜端面上设有凹槽。
更进一步地，凹槽的方向垂直于纤芯的轴线方向。
更进一步地，探头的头部为锥形。
更进一步地，金属层的材料为金。
本发明的有益效果：本发明提供了一种倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，该光热探针包括纤芯和金属层，纤芯包括倾斜端面，金属层覆盖纤芯的侧面和倾斜端面，并延伸出倾斜端面，形成探头。使用时，纤芯中的光耦合到金属层，并且传播到探头，探头激发待测样品发热，热通过探头收集，并传递给金属层。通过探测金属层的温度，实现待测样品局域和微区光热特性的探测。本发明应用倾斜端面将更多的光耦合进入金属层，倾斜端面提供了位相差并加强了光与金属层的作用，所以能够将更多的光耦合进入金属层，提高了光的耦合效率。此外，本发明中，光纤没有被拉锥，光纤的直径没有变细，结构的稳定性强，整个探针的寿命长，在微纳区域光热探测领域具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针的示意图。
图2是又一种倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针的示意图。
图3是再一种倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针的示意图。
图中：1、纤芯；2、倾斜端面；3、金属层；4、探头；5、缝隙。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本发明提供了一种倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针。如图1所示，该倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针包括纤芯1和金属层3。纤芯1可以为多模光纤的纤芯，也可以为单模光纤的纤芯。纤芯1包括倾斜端面2，也就是说纤芯1的端面被抛光成倾斜端面2。金属层3从纤芯1的侧面延伸至倾斜端面2，并伸出倾斜端面2，形成探头4。也就是说，金属层3覆盖纤芯1的侧面、倾斜端面2，并且金属层3延伸出倾斜端面2，形成探头4。
使用时，光从光源耦合进入光纤中的纤芯1，纤芯1中的光耦合到金属层3，并且传播到探头4，探头4激发待测样品发热，热通过探头4收集，并传递给金属层3。通过探测金属层3的温度，实现待测样品局域和微区光热特性的探测。
本发明应用倾斜端面2将更多的光耦合进入金属层3，倾斜端面2提供了位相差并加强了光与金属层3的作用，所以能够将更多的光耦合进入金属层3，提高了光的耦合效率。此外，本发明中，光纤没有被拉锥，光纤的直径没有变细，结构的稳定性强，整个探针的寿命长，在微纳区域光热探测领域具有良好的应用前景。
更进一步地，探头4置于倾斜端面2的最底部。一方面，有利于探头4更深入到待测样品内部，形成更高的纵深方向的空间分辨率；另一方面，有利于更多的光耦合到探头4上，对待测样品产生更强的光激发。
本发明中，待测样品产生的热传递给探头4，探头4将通过倾斜端面2处的金属层3，将热传递给纤芯1侧面的金属层3。通过探测纤芯1侧面的金属层3的温度推断待测样品的温度。因为本发明中，将待测样品的温度输出给纤芯1侧面的金属层3，测量该处的温度可以使用热电偶、红外测温等多种方式，所以本发明具有使用灵活方便的优点。
本发明的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针的制备方法：第一步，准备纤芯1；第二步，在纤芯1上抛光，形成倾斜端面2；第三步，应用电子束蒸发镀膜的方法在纤芯1侧面、倾斜端面2沉积金属层3。沉积金属时，采用倾斜角沉积，由于阴影效应，金属层3会延伸出倾斜端面2；第四步，应用离子束刻蚀的方法刻蚀延伸出倾斜端面2的部分，形成探头4。完成以上四步，即可形成倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，探头4的头部为锥形。从倾斜端面2处开始，探头4的尺寸逐渐缩小：一方面，探头4的厚度逐渐缩小，也就是金属层3的厚度逐渐缩小；另一方面，探头4的宽度逐渐缩小。这样一来，探头4的端部能够形成更强的表面等离极化激元聚集，对待测样品形成更强的光激发。另外，锥形的探头4能够更多地深入到待测样品内部，从而产生更高的纵深空间分辨率。
更进一步地，金属层3的材料为金。一方面，金能够产生强表面等离极化激元；另一方面，金是热的良导体，便于灵敏地探测样品温度。
实施例3
在实施例2的基础上，如图3所示，在倾斜端面2处的金属层3中设有缝隙5。缝隙5的方向垂直于纤芯1的轴线方向。也就是说，在图3中，缝隙5的方向垂直于纸面，缝隙5间相互平行，缝隙5周期排布。这样一来，纤芯1中的光照射到周期性缝隙5上，激发缝隙5上的局域表面等离激元，形成局域表面等离激元共振，从而将更多的能量耦合到倾斜端面2处的金属层3上，这些能量沿金属层3往图3中的探头4传播，在探头4的端部形成强电场，用以激发样品。由于周期性的缝隙5比平面更容易耦合入射光能量，所以本实施例具有探头4的端部能量集中的优点。
制备时，可以应用离子束刻蚀的方法在倾斜端面2处的金属层3上刻蚀周期性排布的缝隙5。
实施例4
在实施例2的基础上，在倾斜端面2处的金属层3中设有矩形孔洞。矩形孔洞的边垂直于纤芯1的轴线方向。矩形孔洞周期排布。纤芯1中的光激发矩形孔洞周围的局域表面等离激元，将更多的光耦合进入金属层3，在探头4的端部形成更强的能量聚集。
制备时，可以应用离子束刻蚀的方法在倾斜端面2处的金属层3上刻蚀周期性排布的矩形孔洞。
实施例5
在实施例2的基础上，在倾斜端面2上设有凹槽。凹槽的方向垂直于纤芯1的轴线方向。也就是说，在倾斜端面2处，金属层3中的金属也填充了凹槽，然后再覆盖一层金属层3。换言之，在金属层3与倾斜端面2的界面，设有金属凸起，金属凸起填充凹槽。这样一来，金属凸起作为光栅结构，将更多的光耦合到金属层3与倾斜端面2的界面，而该界面外又覆盖了一次金属膜，所以光的透射和散射少，充分利用了纤芯1中的能量，在探头4上形成更强的表面等离极化激元。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于，包括：纤芯和金属层；所述纤芯包括倾斜端面，所述金属层从所述纤芯的侧面延伸至所述倾斜端面，并伸出所述倾斜端面，形成探头；使用时，所述纤芯中的光耦合到所述金属层，并且传播到所述探头，所述探头激发待测样品发热，热通过所述探头收集，并传递给所述金属层。
2.如权利要求1所述的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于：所述探头置于所述倾斜端面的最底部。
3.如权利要求2所述的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于：在所述倾斜端面处的所述金属层中设有缝隙。
4.如权利要求3所述的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于：所述缝隙的方向垂直于所述纤芯的轴线方向。
5.如权利要求2所述的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于：在所述倾斜端面处的所述金属层中设有矩形孔洞。
6.如权利要求5所述的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于：所述矩形孔洞的边垂直于所述纤芯的轴线方向。
7.如权利要求2所述的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于：所述倾斜端面上设有凹槽。
8.如权利要求7所述的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于：所述凹槽的方向垂直于所述纤芯的轴线方向。
9.如权利要求1-8任一项所述的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于：所述探头的头部为锥形。
10.如权利要求9所述的倾斜端面耦合型微纳光纤光热探针，其特征在于：所述金属层的材料为金。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113758599A (zh) * | 2021-08-13 | 2021-12-07 | 重庆大学 | 一种用于动态总温测量的光纤法-珀总温探针及其制作方法 |
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2020
- 2020-06-16 CN CN202010545597.3A patent/CN111637985A/zh not_active Withdrawn
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