一種光纖探針及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種光纖探針，包括具有光滑平整的光纖端面的光纖，制作在光纖端面上的連接平臺(tái)，以及制作在連接平臺(tái)上的錐形結(jié)構(gòu)；連接平臺(tái)中心具有與光纖芯適配的通光孔，連接平臺(tái)的側(cè)壁上設(shè)置有導(dǎo)流孔，所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部中空，且其底部開(kāi)口與所述連接平臺(tái)的通光孔適配，所述錐形結(jié)構(gòu)的表面具有波紋。本發(fā)明還提供了相應(yīng)的光纖探針的制備方法，包括：1)在光纖端面均勻地布置光刻膠；2)用三維激光直寫設(shè)備對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，得到所述連接平臺(tái)和所述錐形結(jié)構(gòu)的形狀的曝光區(qū)；3)對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影和定影，將內(nèi)部未曝光區(qū)域的光刻膠通過(guò)導(dǎo)流孔排出。本發(fā)明同時(shí)具有高空間分辨率和高通光效率；不需要在探針附近配備外部光場(chǎng)激發(fā)系統(tǒng)，集成度高。
【專利說(shuō)明】
一種光纖探針及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)和微加工技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種光纖探針及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖探針廣泛應(yīng)用于納米光子學(xué)，材料科學(xué)，生化傳感，信息科學(xué)等領(lǐng)域，在近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡(NSOM)、掃描探針顯微鏡(SPM)，針尖增強(qiáng)的拉曼光譜(TERS)等系統(tǒng)中顯示出重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]圖1不出了一種現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的光纖探針的結(jié)構(gòu)不意圖，它包括光纖1，光纖保護(hù)套2和金屬膜3。其中，裸露在外的光纖芯長(zhǎng)度b通常為7?8毫米，錐形區(qū)域的長(zhǎng)度a通常為約200微米。目前，這種光纖探針可以通過(guò)熔融拉錐法、腐蝕法、管腐蝕法、熔拉一腐蝕法、激光消融法、熔融兩步拉伸法等多種方法制備，這些制備方法可以對(duì)光纖探針的尖端大小、錐角、表面粗糙度等特征進(jìn)行一定程度的控制。然而，這種對(duì)光纖芯本身進(jìn)行腐蝕、消融、拉伸加工錐形結(jié)構(gòu)的加工方式精度有限，可重復(fù)性不高，且很難在錐形結(jié)構(gòu)表面引入微結(jié)構(gòu)。
[0004]另一方面，光纖探針在光學(xué)方面的應(yīng)用主要基于兩類原理。一類是波導(dǎo)原理。波導(dǎo)原理的光纖探針基于極小的物理尺寸(尖端直徑可達(dá)10nm以下)，可以將常規(guī)光纖中的光信號(hào)傳遞至探針的尖端，形成極小區(qū)域的照明場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)空間上的高分辨，比較典型的應(yīng)用是尖端帶孔的NSOM光纖探針。圖2示出了 NSOM光纖探針及其照明模式。參考圖2，NSOM光纖探針中，內(nèi)部照明光線4到達(dá)尖端的錐形結(jié)構(gòu)后，一部分被錐形結(jié)構(gòu)反射形成反射光5，一部分在從尖端小孔出射后被散射形成散射光6，剩下一部分透射形成透射光7。NSOM光纖探針的分辨率主要取決于尖端小孔的大小(一般在10nm)，孔較大時(shí)探針的導(dǎo)光效率較高，但探針的空間分辨率會(huì)大大降低；孔較小時(shí)雖然具有較高的空間分辨率，但通光效率較低(10nm的小孔透光效率在0.01%量級(jí))。
[0005]另一類是基于表面等離子體激元的光纖探針。表面等離子體激元是一種光波與金屬中自由電子相互作用產(chǎn)生的電磁模式，它能突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)級(jí)別甚至納米級(jí)別的光學(xué)分辨率，如尖端不帶孔的TERS探針。圖3示出了 TERS光纖探針及其照明模式，參考圖3，TERS探針采用外部光場(chǎng)激發(fā)方式，外部照明光8照射尖端形成散射光9。TERS探針具有極高的空間分辨率，但目前該類探針激發(fā)效率小于0.001 %，不具有導(dǎo)光性能，而且外部光路比較復(fù)雜、信噪比差，不利于系統(tǒng)集成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]因此，本發(fā)明的任務(wù)是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光纖探針及其制備方法。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種光纖探針，包括具有光滑平整的光纖端面的光纖，制作在光纖端面上的連接平臺(tái)，以及制作在連接平臺(tái)上的錐形結(jié)構(gòu)；所述連接平臺(tái)中心具有與所述光纖的光纖芯適配的通光孔，所述連接平臺(tái)的側(cè)壁上設(shè)置有導(dǎo)流孔，所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部中空，且其底部開(kāi)口與所述連接平臺(tái)的通光孔適配，所述錐形結(jié)構(gòu)的表面具有波紋。
[0008]其中，所述錐形結(jié)構(gòu)的表面制備有金屬膜。
[0009]其中，所述錐形結(jié)構(gòu)的尖端具有小孔。
[0010]其中，所述錐形結(jié)構(gòu)的尖端封閉。
[0011]其中，所述連接平臺(tái)和所述錐形結(jié)構(gòu)均基于三維激光直寫設(shè)備制作。
[0012]其中，所述連接平臺(tái)為方形平臺(tái)，所述導(dǎo)流孔為長(zhǎng)方形通孔。
[0013]其中，所述連接平臺(tái)中心的通光孔尺寸與所述光纖的光纖芯尺寸匹配，所述連接平臺(tái)的側(cè)壁的厚度為4?5微米。
[0014]其中，所述連接平臺(tái)側(cè)壁的導(dǎo)流孔的長(zhǎng)度(即垂直于光纖端面方向的長(zhǎng)度)為6?7微米，寬度為3?4微米。
[0015]其中，所述連接平臺(tái)的垂直于光纖端面方向的長(zhǎng)度與所述導(dǎo)流孔的長(zhǎng)度匹配，使所述連接平臺(tái)能夠給相應(yīng)長(zhǎng)度的所述導(dǎo)流孔留下足夠空間，且所述連接平臺(tái)不易坍塌。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種前述所述的光纖探針的制備方法，包括下列步驟:
[0017]I)在光滑平整的光纖端面均勻地布置光刻膠；
[0018]2)用三維激光直寫設(shè)備對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，得到所述連接平臺(tái)和所述錐形結(jié)構(gòu)的形狀的曝光區(qū)；
[0019]3)對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影和定影，將所述連接平臺(tái)和所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部未曝光區(qū)域的光刻膠通過(guò)所述導(dǎo)流孔排出，得到光纖探針。
[0020]其中，所述步驟I)包括下列子步驟:
[0021]11)對(duì)光纖的一端進(jìn)行處理，得到光滑平整的光纖端面；
[0022]12)將光纖的經(jīng)所述步驟11)處理后的那一端固定在三維激光直寫設(shè)備的樣品臺(tái)，且所述光纖端面朝下；
[0023]13)在透明的襯底上涂覆光刻膠，將所述襯底置于所述光纖端面的正下方，移動(dòng)樣品臺(tái)使所述光纖端面與所述襯底上的光刻膠接觸，并在毛細(xì)作用下均勻地覆蓋整個(gè)光纖端面。
[0024]其中，所述步驟2)中，得到所述錐形結(jié)構(gòu)形狀的曝光區(qū)的方法是:控制三維激光直寫設(shè)備的體像素沿螺旋下降軌跡掃描光刻膠，所述螺旋下降軌跡的螺圈的半徑逐漸縮小直至趨近于零，激光直寫體像素沿著該螺旋下降軌跡進(jìn)行均勻連續(xù)地掃描，并且在掃描過(guò)程中，掃描完第一個(gè)螺圈后，使得沿著所述螺旋下降軌跡掃描至任一位置的激光直寫體像素，均與前一螺圈掃描所形成的曝光區(qū)域存在交疊，這樣就能使上下相鄰的兩個(gè)螺圈對(duì)應(yīng)的曝光區(qū)相互拼接，最終形成一表面帶有螺旋波紋的中空錐形曝光區(qū)。
[0025]其中，所述步驟2)中，所述螺旋下降軌跡在接近錐形尖端處停止，使得所述表面帶有螺旋波紋的中空錐形曝光區(qū)的尖端具有未曝光的小孔。
[0026]其中，所述步驟2)中，得到所述連接平臺(tái)形狀的曝光區(qū)的方法是:對(duì)所述連接平臺(tái)的三維圖形進(jìn)行切片處理，然后用三維激光直寫設(shè)備的體像素逐個(gè)切片進(jìn)行掃描曝光。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有下列技術(shù)效果:
[0028]1、本發(fā)明同時(shí)具有高空間分辨率和高通光效率。
[0029]2、本發(fā)明通過(guò)光纖的另一端耦合輸入信號(hào)光，不需要在探針附近配備外部光場(chǎng)激發(fā)系統(tǒng)，集成度高。
[0030]3、本發(fā)明的一些實(shí)施例能夠結(jié)合兩種導(dǎo)光原理，從而達(dá)到更高的通光效率。
[0031]4、本發(fā)明的光纖探針的空間分辨率可達(dá)到小于亞波長(zhǎng)的量級(jí)。
[0032]5、本發(fā)明的光纖探針制備方法工藝易于實(shí)現(xiàn)，可重復(fù)性高。
[0033]6、本發(fā)明的光纖探針制備耗時(shí)少，且成品率高。
[0034]7、本發(fā)明所制備的空心錐形光纖探針具有極高的集成兼容特性，可以與商用的近場(chǎng)掃描顯微鏡配合使用。
【附圖說(shuō)明】
[0035]以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中:
[0036]圖1示出了一種現(xiàn)有技術(shù)中一種典型的光纖探針的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中NSOM光纖探針及其照明模式；
[0038]圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)中TERS光纖探針及其照明模式；
[0039]圖4示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于激光直寫技術(shù)制作的光纖探針的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖5a示出了一個(gè)實(shí)施例中錐形結(jié)構(gòu)的立體示意圖；圖5b示出了另一個(gè)實(shí)施例中錐形結(jié)構(gòu)的立體示意圖；
[0041]圖6示出了一個(gè)實(shí)施例中連接平臺(tái)的立體示意圖；
[0042]圖7示出了在光纖端面均勻地布置光刻膠的示意圖；
[0043]圖8示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的螺旋下降軌跡的示意圖；
[0044]圖9示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中用于連接平臺(tái)的體像素的掃描路徑；
[0045]圖10示出了本發(fā)明一個(gè)光纖探針的成品的實(shí)際照片及其局部放大圖；
[0046]圖11示出了一個(gè)圓錐結(jié)構(gòu)頂端不帶孔的光纖探針的光信號(hào)傳輸示意圖；
[0047]圖12示出了圖11的光纖端面所在平面的光斑尺寸；
[0048]圖13示出了圖11的光纖探針焦點(diǎn)所在平面的光斑尺寸。
【具體實(shí)施方式】
[0049]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0050]圖4示出了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于激光直寫技術(shù)制作的光纖探針的結(jié)構(gòu)。該光纖探針包括光纖12，該光纖12具有光滑平整的光纖端面13 ;制作在光纖端面上的連接平臺(tái)15，該連接平臺(tái)15具有沿著光纖芯11的軸向設(shè)置的通光孔14，該通光孔14的開(kāi)孔方向和尺寸均與光纖芯適配，連接平臺(tái)15的側(cè)壁還具有導(dǎo)流孔(導(dǎo)流孔在圖4中示出)；以及基于三維激光直寫技術(shù)制作在連接平臺(tái)上的錐形結(jié)構(gòu)16，該錐形結(jié)構(gòu)16內(nèi)部中空，且其底部開(kāi)口 17與連接平臺(tái)15的通光孔14適配。圖5a示出了本實(shí)施例中錐形結(jié)構(gòu)的立體示意圖，該錐形結(jié)構(gòu)的表面具有波紋，波紋的尺寸根據(jù)所傳導(dǎo)的光的波長(zhǎng)確定。另外，錐形結(jié)構(gòu)的表面制備有金屬膜，以便表面等離子體激元的激發(fā)和傳播。本實(shí)施例的錐形結(jié)構(gòu)的尖端是封閉的(即尖端不具有小孔)，此時(shí)光線完全通過(guò)表面等離子體激元傳輸至尖端，同樣可以實(shí)現(xiàn)極高的空間分辨率(可達(dá)到小于亞波長(zhǎng)的量級(jí))。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明的錐形結(jié)構(gòu)的尖端也可以帶有小孔，如圖5b所示。
[0051 ] 圖6示出了圖4的實(shí)施例中連接平臺(tái)的立體示意圖，如圖6所示，該連接平臺(tái)15的側(cè)壁22上設(shè)有導(dǎo)流孔23，連接平臺(tái)15和導(dǎo)流孔23的形狀均為方形。本實(shí)施例中，連接平臺(tái)通過(guò)在與光纖端面連接的光刻膠處進(jìn)行曝光的方式制作，因此連接平臺(tái)設(shè)計(jì)了導(dǎo)流孔，以便于將錐形結(jié)構(gòu)曝光區(qū)域內(nèi)未曝光的光刻膠洗除。如圖6所示，本實(shí)施例中，連接平臺(tái)被設(shè)計(jì)為四周帶孔的底面為正方形的臺(tái)子。進(jìn)一步地，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，方形臺(tái)子的中心通光孔形狀也為方形，其尺寸與光纖芯匹配，方形臺(tái)子的側(cè)壁的厚度控制在4?5微米，這個(gè)尺寸可以保證連接平臺(tái)與光纖端面具有足夠的接觸面積，使二者連接牢靠，同時(shí)也具有較高的制備效率。另外，方形臺(tái)子的總高度(即垂直于光纖端面方向的長(zhǎng)度)為10微米以上，這是為了給導(dǎo)流孔留下足夠的空間，保證側(cè)壁穿孔的連接平臺(tái)具有足夠的牢固性。方形臺(tái)子四個(gè)側(cè)壁各自具有一個(gè)導(dǎo)流孔，每個(gè)導(dǎo)流孔均為長(zhǎng)方形通孔，其長(zhǎng)度(即垂直于光纖端面方向的長(zhǎng)度)為6?7微米，寬度為3?4微米，這種導(dǎo)流孔的尺寸既不容易造成方形臺(tái)子變形，能夠確保錐形結(jié)構(gòu)和方形臺(tái)子內(nèi)部未曝光的光刻膠很好地洗出，避免殘留的光刻膠將對(duì)光纖探針成品的性能造成不利影響。方形臺(tái)子的邊長(zhǎng)可根據(jù)需要自由設(shè)計(jì)，一般大于10微米。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明的連接平臺(tái)的形狀并不限于方形，導(dǎo)流孔也不限于長(zhǎng)方形。
[0052]下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步地?cái)⑹霰景l(fā)明的光纖探針的制作方法。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種制作光纖探針的方法，包括下述步驟I至5。
[0054]步驟1:選取商用通信光纖(可以是單模光纖或多模光纖)，用酒精對(duì)所選取的光纖進(jìn)行表面清潔處理，然后利用商用的光纖切割刀對(duì)光纖進(jìn)行切割，形成光滑平整的光纖端面。光纖的材質(zhì)可以是二氧化硅(如通信用光纖)，也可以是其他聚合物材料(如塑料光纖)。
[0055]步驟2:將端面光滑平整的光纖固定在飛秒激光直寫微加工設(shè)備的樣品臺(tái)上。飛秒激光直寫微加工設(shè)備(即三維激光直寫設(shè)備，例如:德國(guó)Nanoscribe公司，型號(hào)為Photonic Profess1nal的飛秒激光直寫微加工設(shè)備)。為了便于理解下文，下面簡(jiǎn)要介紹一下本實(shí)施例所用到的飛秒激光直寫微加工設(shè)備。
[0056]飛秒激光直寫微加工設(shè)備是一種基于激光體像素曝光而制備三維光聚合圖案的設(shè)備，下面以雙光子三維納米加工系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。雙光子三維納米加工系統(tǒng)利用飛秒激光作為激光光源，在光路中安置衰減器與快門來(lái)調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度與曝光時(shí)間。光束經(jīng)透鏡組擴(kuò)束后通過(guò)大數(shù)值孔徑物鏡聚焦到光刻膠上。當(dāng)聚焦點(diǎn)位于光刻膠內(nèi)部時(shí)，激光聚焦點(diǎn)附近的微小區(qū)域吸收光子發(fā)生相應(yīng)的光聚合反應(yīng)，該微小區(qū)域即為曝光區(qū)。而激光聚焦點(diǎn)附近的微小曝光區(qū)域就是激光直寫的最小單位，即體像素。體像素的形狀大致為橢球形。另一方面，雙光子三維納米加工系統(tǒng)具有一個(gè)壓電陶瓷臺(tái)和一個(gè)X-Y樣品臺(tái)，可以用來(lái)固定樣品或光纖調(diào)節(jié)架。通過(guò)軟件控制壓電陶瓷臺(tái)與X-Y樣品臺(tái)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的三維路線精確位移，即可使激光直寫的體像素(物鏡焦點(diǎn)附近的微小區(qū)域)沿設(shè)定的路徑移動(dòng)。體像素運(yùn)動(dòng)的路徑連接起來(lái)，就構(gòu)成了所需的三維曝光圖案。
[0057]步驟3:在光纖端面均勻地布置光刻膠。在一個(gè)實(shí)施例中，先將光刻膠敷涂在襯底上(例如可使用膠頭滴定管蘸取少量的光刻膠，在載波片上滴光刻膠)，將襯底置于光纖端面的正下方，然后將光纖端面緩慢向下移動(dòng)，直至光纖端面沒(méi)入敷涂在襯底上的光刻膠中。光纖端面不與襯底直接接觸，二者距離通常在10微米?1000微米量級(jí)，這個(gè)距離下，光刻膠會(huì)在毛細(xì)作用下均勻地覆蓋整個(gè)光纖端面。圖7示出了在光纖端面均勻地布置光刻膠的示意圖，其中襯底23位于光纖端面13正下方，光纖端面13沒(méi)入敷涂在襯底上的光刻膠18中。光刻膠18采用負(fù)性光刻膠，襯底23采用透明的光學(xué)玻片襯底。
[0058]步驟4:使用激光直寫設(shè)備的體像素對(duì)負(fù)性光刻膠進(jìn)行曝光，形成具有前文所述的連接平臺(tái)和錐形結(jié)構(gòu)形狀的曝光區(qū)。仍然參考圖7，在曝光時(shí)，激光直寫設(shè)備聚焦光束20從襯底23透射，在負(fù)性光刻膠中形成激光直寫聚焦點(diǎn)區(qū)域，該聚焦點(diǎn)區(qū)域曝光形成激光直寫的體像素19。體像素19沿著一定軌跡掃描，即可獲得具有預(yù)定形狀的曝光區(qū)。例如，當(dāng)要制作圖6所示的連接平臺(tái)時(shí)，就需要控制體像素19按一定軌跡掃描光刻膠18，在其中形成形狀與圖6 —致的曝光區(qū)。當(dāng)要制作圖5a所示的錐形結(jié)構(gòu)時(shí)，就需要控制體像素19按一定軌跡掃描光刻膠18，在其中形成形狀與圖5a所示形狀一致的曝光區(qū)。需要說(shuō)明的是，制作連接平臺(tái)和錐形結(jié)構(gòu)時(shí)，需要先曝光形成連接平臺(tái)形狀曝光區(qū)，再曝光形成錐形結(jié)構(gòu)形狀曝光區(qū)。
[0059]本發(fā)明在與光纖端面連接處制作連接平臺(tái)，這可以通過(guò)在與光纖端面連接的光刻膠處進(jìn)行曝光的方式實(shí)現(xiàn)。并且，連接平臺(tái)設(shè)計(jì)了導(dǎo)流孔，以便于將錐形結(jié)構(gòu)曝光區(qū)域內(nèi)未曝光的光刻膠洗除。在一個(gè)實(shí)施例中，采用如圖6所示的方形連接平臺(tái)，采用方形而不是其它形狀的主要原因是:激光直寫設(shè)備采用點(diǎn)到點(diǎn)曝光，對(duì)于相同的曝光長(zhǎng)度，方形只需要四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，而圓形需要40個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，因此，方形臺(tái)子的制備速度更快，效率更高。制備該方形臺(tái)子時(shí)，采用對(duì)三維圖形進(jìn)行切片處理，然后逐個(gè)切片進(jìn)行掃描曝光的方案，對(duì)于每個(gè)切片，體像素19的掃描路徑可以如圖9所示。
[0060]另一方面，本發(fā)明還需要在連接平臺(tái)上制作錐形結(jié)構(gòu)。圖5a所示的表面帶有波紋的中空錐形結(jié)構(gòu)是較為復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，如果按照激光直寫設(shè)備慣用方法曝光，即對(duì)三維圖形進(jìn)行切片處理，然后逐個(gè)切片進(jìn)行掃描曝光，則工藝難度較大，廢品率較高。另外，由于表面帶有螺紋，錐形結(jié)構(gòu)切片后，每個(gè)切片的曝光點(diǎn)數(shù)量都十分巨大，導(dǎo)致加工耗時(shí)較長(zhǎng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)明人巧妙地設(shè)計(jì)了一條螺旋下降的掃描軌跡。圖8示出了該螺旋下降軌跡的示意圖，該螺旋下降軌跡的螺圈的半徑逐漸縮小直至趨近于零。激光直寫體像素沿著該螺旋下降軌跡進(jìn)行均勻連續(xù)地掃描，并且在掃描過(guò)程中，掃描完第一個(gè)螺圈后，使得沿著所述螺旋下降軌跡掃描至任一位置的激光直寫體像素，均與前一螺圈掃描所形成的曝光區(qū)域存在交疊，這樣就能使上下相鄰的兩個(gè)螺圈對(duì)應(yīng)的曝光區(qū)相互拼接，最終形成一表面帶有螺旋波紋的中空錐形曝光區(qū)。這種制作方法不需要對(duì)復(fù)雜的三維圖形進(jìn)行切片處理，工藝上易于實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，大大減少了曝光點(diǎn)數(shù)量，顯著地節(jié)省了加工時(shí)間。需要說(shuō)明的是，當(dāng)需要制備如圖5b所示的尖端開(kāi)孔的錐形結(jié)構(gòu)時(shí)，所述螺旋下降軌跡在接近錐形尖端處停止，使得所述表面帶有螺旋波紋的中空錐形曝光區(qū)的尖端具有未曝光的小孔即可。
[0061]步驟5:將曝光之后的光纖I從激光直寫加工設(shè)備的夾具上取下，對(duì)完成所述激光直寫掃描曝光的光刻膠進(jìn)行顯影、定影，得到與所需形狀的連接平臺(tái)和表面帶有螺紋的錐形結(jié)構(gòu)。一個(gè)實(shí)施例中，將曝光后樣品浸泡在丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)顯影液中30分鐘，采用異丙醇定影5分鐘，未曝光的光刻膠在顯影和定影過(guò)程中從連接平臺(tái)的導(dǎo)流孔被溶解、排出。完成顯影、定影后，將樣品取出自然風(fēng)干，即可得到一個(gè)制作在光纖端面的表面具有螺紋的空心錐形結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個(gè)例子中，正方形臺(tái)子的邊長(zhǎng)為21微米，小孔邊長(zhǎng)4微米，臺(tái)子高10微米及小孔深度6微米；圓錐底部半徑為10微米，高為40微米，圓錐表面的螺旋條紋周期為783納米。
[0062]步驟6:在步驟5所得的空心錐形結(jié)構(gòu)表面制備金屬層，得到成品。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在步驟5所得的光纖端面上的空心錐形結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行金屬蒸鍍，或者進(jìn)行介質(zhì)/金屬的沉積。其中，金屬層材料為適合于表面等離激元激發(fā)和傳播的材料，例如Au或Ag。在介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)中，金屬層的作用在于提供表面自由電子，在入射光的作用下產(chǎn)生表面等離子體激元，介質(zhì)層一方面可以進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另一方面通過(guò)介質(zhì)層的選取，可以進(jìn)一步調(diào)整介質(zhì)/金屬界面特性，從而實(shí)現(xiàn)在金屬表面?zhèn)鞑サ牡入x子體激元的特性調(diào)控。介質(zhì)材料包括但不限于Al203、Si3N4、Si0#的一種或多種組合。圖10示出了本發(fā)明一個(gè)光纖探針的成品的實(shí)際照片及其局部放大圖，其中a部分示出了光纖探針的整體結(jié)構(gòu)，b部分示出了光纖探針的錐形結(jié)構(gòu)及其連接平臺(tái)的放大圖，在圖10的例子中，錐形結(jié)構(gòu)的尖端帶有開(kāi)孔。這種光纖探針結(jié)合了兩種導(dǎo)光原理，能夠達(dá)到更高的通光效率。
[0063]上述實(shí)施例中，帶有螺旋波紋的空心錐形光纖探針曝光是一次成型的，因此具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不容易坍塌。而且這種制備方案的可重復(fù)性高，有助于提高成品率。同時(shí)，該類光纖探針具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0064]1、相比于傳統(tǒng)的光纖探針制備方法，錐形探針的錐角、高度和表面結(jié)構(gòu)可以精確設(shè)計(jì)和控制(精度達(dá)到100納米量級(jí))，錐形區(qū)域較小(可以小到10?40微米)，具有易于集成的特點(diǎn)；
[0065]2、整個(gè)光纖探針的輸入輸出端都可以通過(guò)光纖的另一端實(shí)現(xiàn)，因此可以通過(guò)內(nèi)部照明的方式，有效提高信噪比；
[0066]3、通過(guò)表面等離子體激元的耦合和聚焦，具有高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)。圖11示出了一個(gè)圓錐結(jié)構(gòu)頂端不帶孔的光纖探針的光信號(hào)傳輸示意圖。其中，輸入光信號(hào)通過(guò)光纖芯和連接平臺(tái)內(nèi)的通光孔照射到錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴▽?dǎo)模式光信號(hào)，進(jìn)而在錐形結(jié)構(gòu)外表面的金屬膜上形成表面等離子體激元，表面等離子體激元沿著金屬膜傳播，匯聚到錐形結(jié)構(gòu)頂端，形成表面等離子體激元焦點(diǎn)。圖12示出了光纖端面所在平面的光斑尺寸，圖13示出了光纖探針焦點(diǎn)(即表面等離子體激元焦點(diǎn))所在平面的光斑尺寸?？梢钥闯?，圖11的光纖探針能夠顯著提高光束的空間分辨率。
[0067]4、通過(guò)在圓錐外表面引入微結(jié)構(gòu)如螺旋波紋結(jié)構(gòu)并進(jìn)行金屬鍍膜，可以提高圓錐對(duì)表面等離子體激元的激發(fā)和耦合效率，并使其向探針尖端傳播和聚焦，從而能夠有效提高圓錐的通光效率(可以達(dá)到1%量級(jí))。
[0068]特別的，在本發(fā)明的一些實(shí)施例的光纖探針中，其圓錐結(jié)構(gòu)頂端開(kāi)孔(如圖10所示)。對(duì)于這類圓錐結(jié)構(gòu)頂端帶孔的光纖探針，由于既可以通過(guò)表面等離子體激元傳播和聚焦光束，又可以從錐形結(jié)構(gòu)頂端的開(kāi)孔透射光束，因此它能夠達(dá)到更高的通過(guò)效率。例如，當(dāng)錐形結(jié)構(gòu)頂端的開(kāi)孔的直徑為180納米時(shí)，通過(guò)效率可以達(dá)到2%以上。
[0069]綜上所述，本發(fā)明提出的光纖探針具有優(yōu)異的光學(xué)性能，可以為設(shè)計(jì)和制造高空間分辨、高通量和高集成的光學(xué)探針提供一種新的可能，能夠滿足光纖探針在信號(hào)光的通過(guò)效率、偏振控制以及光的出射方向等方面的控制和應(yīng)用。
[0070]另外，需要說(shuō)明的是，本發(fā)明的光纖探針的錐形結(jié)構(gòu)不限于表面具有螺旋波紋的空心錐形光纖探針，還可以將表面的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成同心圓形條紋、不對(duì)稱條紋。本發(fā)明的錐形結(jié)構(gòu)的尖端可以帶孔，也可以不帶孔。本發(fā)明的錐形結(jié)構(gòu)也不限于圓錐形，例如也可以是金字塔結(jié)構(gòu)，金字塔結(jié)構(gòu)即底面為方形的錐形結(jié)構(gòu)。
[0071]最后應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對(duì)本技術(shù)方法進(jìn)行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其它的修改、變化、應(yīng)用和實(shí)施例，并且因此認(rèn)為所有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實(shí)施例都在本發(fā)明的精神和教導(dǎo)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光纖探針，包括具有光滑平整的光纖端面的光纖，制作在光纖端面上的連接平臺(tái)，以及制作在連接平臺(tái)上的錐形結(jié)構(gòu)；所述連接平臺(tái)中心具有與所述光纖的光纖芯適配的通光孔，所述連接平臺(tái)的側(cè)壁上設(shè)置有導(dǎo)流孔，所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部中空，且其底部開(kāi)口與所述連接平臺(tái)的通光孔適配，所述錐形結(jié)構(gòu)的表面具有波紋。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖探針，其特征在于，所述錐形結(jié)構(gòu)的表面制備有金屬膜。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖探針，其特征在于，所述錐形結(jié)構(gòu)的尖端具有小孔或者所述錐形結(jié)構(gòu)的尖端封閉。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖探針，其特征在于，所述連接平臺(tái)和所述錐形結(jié)構(gòu)均基于三維激光直寫設(shè)備制作。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖探針，其特征在于，所述連接平臺(tái)為方形平臺(tái)，所述導(dǎo)流孔為長(zhǎng)方形通孔。6.一種權(quán)利要求1所述的光纖探針的制備方法，包括下列步驟: 1)在光滑平整的光纖端面均勻地布置光刻膠； 2)用三維激光直寫設(shè)備對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，得到所述連接平臺(tái)和所述錐形結(jié)構(gòu)的形狀的曝光區(qū)； 3)對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影和定影，將所述連接平臺(tái)和所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部未曝光區(qū)域的光刻膠通過(guò)所述導(dǎo)流孔排出，得到光纖探針。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖探針的制備方法，其特征在于，所述步驟I)包括下列子步驟: 11)對(duì)光纖的一端進(jìn)行處理，得到光滑平整的光纖端面； 12)將光纖的經(jīng)所述步驟11)處理后的那一端固定在三維激光直寫設(shè)備的樣品臺(tái)，且所述光纖端面朝下； 13)在透明的襯底上涂覆光刻膠，將所述襯底置于所述光纖端面的正下方，移動(dòng)樣品臺(tái)使所述光纖端面與所述襯底上的光刻膠接觸，并在毛細(xì)作用下均勻地覆蓋整個(gè)光纖端面。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖探針的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中，通過(guò)下列步驟得到所述錐形結(jié)構(gòu)形狀的曝光區(qū):控制三維激光直寫設(shè)備的體像素沿螺旋下降軌跡掃描光刻膠，所述螺旋下降軌跡的螺圈的半徑逐漸縮小直至趨近于零，使上下相鄰的兩個(gè)螺圈對(duì)應(yīng)的曝光區(qū)相互拼接，最終形成一表面帶有螺旋波紋的中空錐形曝光區(qū)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光纖探針的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述螺旋下降軌跡在接近錐形尖端處停止，使得所述表面帶有螺旋波紋的中空錐形曝光區(qū)的尖端具有未曝光的小孔。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖探針的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中，通過(guò)下列步驟得到所述連接平臺(tái)形狀的曝光區(qū):對(duì)所述連接平臺(tái)的三維圖形進(jìn)行切片處理，然后用三維激光直寫設(shè)備的體像素逐個(gè)切片進(jìn)行掃描曝光。
【文檔編號(hào)】G01Q60/22GK106033092SQ201510102095
【公開(kāi)日】2016年10月19日
【申請(qǐng)日】2015年3月9日
【發(fā)明人】李家方, 李無(wú)瑕, 牟佳佳, 顧長(zhǎng)志, 李志遠(yuǎn)
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院物理研究所