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，以及制作在連接平臺上的錐形結(jié)構(gòu)；連接平臺中心具有與光纖芯適配的通光孔，連接平臺的側(cè)壁上設(shè)置有導流孔，所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部中空，且其底部開口與所述連接平臺的通光孔適配，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)備對光刻膠進行曝光，得到所述連接平臺和所述錐形結(jié)構(gòu)的形狀的曝光區(qū)；3)對光刻膠進行顯影和定影，將內(nèi)部未曝光區(qū)域的光刻膠通過導流孔排出。本發(fā)明同時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激發(fā)系統(tǒng)，集成度高。
【專利說明】
一種光纖探針及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光學和微加工技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，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，材料科學，生化傳感，信息科學等領(lǐng)域，在近場掃描光學顯微鏡(NSOM)、掃描探針顯微鏡(SPM)，針尖增強的拉曼光譜(TERS)等系統(tǒng)中顯示出重要的應(yīng)用價值。
[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，光纖保護套2和金屬膜3。其中，裸露在外的光纖芯長度b通常為7?8毫米，錐形區(qū)域的長度a通常為約200微米。目前，這種光纖探針可以通過熔融拉錐法、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光纖探針的尖端大小、錐角、表面粗糙度等特征進行一定程度的控制。然而，這種對光纖芯本身進行腐蝕、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，光纖探針在光學方面的應(yīng)用主要基于兩類原理。一類是波導原理。波導原理的光纖探針基于極小的物理尺寸(尖端直徑可達10nm以下)，可以將常規(guī)光纖中的光信號傳遞至探針的尖端，形成極小區(qū)域的照明場，從而實現(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)，孔較大時探針的導光效率較高，但探針的空間分辨率會大大降低；孔較小時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)。
[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，實現(xiàn)亞波長級別甚至納米級別的光學分辨率，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，以及制作在連接平臺上的錐形結(jié)構(gòu)；所述連接平臺中心具有與所述光纖的光纖芯適配的通光孔，所述連接平臺的側(cè)壁上設(shè)置有導流孔，所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部中空，且其底部開口與所述連接平臺的通光孔適配，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，所述連接平臺為方形平臺，所述導流孔為長方形通孔。
[0013]其中，所述連接平臺中心的通光孔尺寸與所述光纖的光纖芯尺寸匹配，所述連接平臺的側(cè)壁的厚度為4?5微米。
[0014]其中，所述連接平臺側(cè)壁的導流孔的長度(即垂直于光纖端面方向的長度)為6?7微米，寬度為3?4微米。
[0015]其中，所述連接平臺的垂直于光纖端面方向的長度與所述導流孔的長度匹配，使所述連接平臺能夠給相應(yīng)長度的所述導流孔留下足夠空間，且所述連接平臺不易坍塌。
[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)備對光刻膠進行曝光，得到所述連接平臺和所述錐形結(jié)構(gòu)的形狀的曝光區(qū)；
[0019]3)對光刻膠進行顯影和定影，將所述連接平臺和所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部未曝光區(qū)域的光刻膠通過所述導流孔排出，得到光纖探針。
[0020]其中，所述步驟I)包括下列子步驟:
[0021]11)對光纖的一端進行處理，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，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，移動樣品臺使所述光纖端面與所述襯底上的光刻膠接觸，并在毛細作用下均勻地覆蓋整個光纖端面。
[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行均勻連續(xù)地掃描，并且在掃描過程中，掃描完第一個螺圈后，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螺圈對應(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，得到所述連接平臺形狀的曝光區(qū)的方法是:對所述連接平臺的三維圖形進行切片處理，然后用三維激光直寫設(shè)備的體像素逐個切片進行掃描曝光。
[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)明同時具有高空間分辨率和高通光效率。
[0029]2、本發(fā)明通過光纖的另一端耦合輸入信號光，不需要在探針附近配備外部光場激發(fā)系統(tǒng)，集成度高。
[0030]3、本發(fā)明的一些實施例能夠結(jié)合兩種導光原理，從而達到更高的通光效率。
[0031]4、本發(fā)明的光纖探針的空間分辨率可達到小于亞波長的量級。
[0032]5、本發(fā)明的光纖探針制備方法工藝易于實現(xiàn)，可重復(fù)性高。
[0033]6、本發(fā)明的光纖探針制備耗時少，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，可以與商用的近場掃描顯微鏡配合使用。
【附圖說明】
[0035]以下，結(jié)合附圖來詳細說明本發(fā)明的實施例，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)明一個實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示出了一個實施例中錐形結(jié)構(gòu)的立體示意圖；圖5b示出了另一個實施例中錐形結(jié)構(gòu)的立體示意圖；
[0041]圖6示出了一個實施例中連接平臺的立體示意圖；
[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)明一個實施例中的螺旋下降軌跡的示意圖；
[0044]圖9示出了本發(fā)明一個實施例中用于連接平臺的體像素的掃描路徑；
[0045]圖10示出了本發(fā)明一個光纖探針的成品的實際照片及其局部放大圖；
[0046]圖11示出了一個圓錐結(jié)構(gòu)頂端不帶孔的光纖探針的光信號傳輸示意圖；
[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的光纖探針焦點所在平面的光斑尺寸。
【具體實施方式】
[0049]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0050]圖4示出了本發(fā)明一個實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15，該連接平臺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的開孔方向和尺寸均與光纖芯適配，連接平臺15的側(cè)壁還具有導流孔(導流孔在圖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，且其底部開口 17與連接平臺15的通光孔14適配。圖5a示出了本實施例中錐形結(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)所傳導的光的波長確定。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)，此時光線完全通過表面等離子體激元傳輸至尖端，同樣可以實現(xiàn)極高的空間分辨率(可達到小于亞波長的量級)。需要說明的是，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的實施例中連接平臺的立體示意圖，如圖6所示，該連接平臺15的側(cè)壁22上設(shè)有導流孔23，連接平臺15和導流孔23的形狀均為方形。本實施例中，連接平臺通過在與光纖端面連接的光刻膠處進行曝光的方式制作，因此連接平臺設(shè)計了導流孔，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，本實施例中，連接平臺被設(shè)計為四周帶孔的底面為正方形的臺子。進一步地，在一個優(yōu)選實施例中，方形臺子的中心通光孔形狀也為方形，其尺寸與光纖芯匹配，方形臺子的側(cè)壁的厚度控制在4?5微米，這個尺寸可以保證連接平臺與光纖端面具有足夠的接觸面積，使二者連接牢靠，同時也具有較高的制備效率。另外，方形臺子的總高度(即垂直于光纖端面方向的長度)為10微米以上，這是為了給導流孔留下足夠的空間，保證側(cè)壁穿孔的連接平臺具有足夠的牢固性。方形臺子四個側(cè)壁各自具有一個導流孔，每個導流孔均為長方形通孔，其長度(即垂直于光纖端面方向的長度)為6?7微米，寬度為3?4微米，這種導流孔的尺寸既不容易造成方形臺子變形，能夠確保錐形結(jié)構(gòu)和方形臺子內(nèi)部未曝光的光刻膠很好地洗出，避免殘留的光刻膠將對光纖探針成品的性能造成不利影響。方形臺子的邊長可根據(jù)需要自由設(shè)計，一般大于10微米。需要說明的是，本發(fā)明的連接平臺的形狀并不限于方形，導流孔也不限于長方形。
[0052]下面結(jié)合實施例進一步地敘述本發(fā)明的光纖探針的制作方法。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，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)，用酒精對所選取的光纖進行表面清潔處理，然后利用商用的光纖切割刀對光纖進行切割，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Nanoscribe公司，型號為Photonic Profess1nal的飛秒激光直寫微加工設(shè)備)。為了便于理解下文，下面簡要介紹一下本實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)為例進行說明。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調(diào)節(jié)光的強度與曝光時間。光束經(jīng)透鏡組擴束后通過大數(shù)值孔徑物鏡聚焦到光刻膠上。當聚焦點位于光刻膠內(nèi)部時，激光聚焦點附近的微小區(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)具有一個壓電陶瓷臺和一個X-Y樣品臺，可以用來固定樣品或光纖調(diào)節(jié)架。通過軟件控制壓電陶瓷臺與X-Y樣品臺按照預(yù)先設(shè)計的三維路線精確位移，即可使激光直寫的體像素(物鏡焦點附近的微小區(qū)域)沿設(shè)定的路徑移動。體像素運動的路徑連接起來，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。在一個實施例中，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，直至光纖端面沒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，這個距離下，光刻膠會在毛細作用下均勻地覆蓋整個光纖端面。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沒入敷涂在襯底上的光刻膠18中。光刻膠18采用負性光刻膠，襯底23采用透明的光學玻片襯底。
[0058]步驟4:使用激光直寫設(shè)備的體像素對負性光刻膠進行曝光，形成具有前文所述的連接平臺和錐形結(jié)構(gòu)形狀的曝光區(qū)。仍然參考圖7，在曝光時，激光直寫設(shè)備聚焦光束20從襯底23透射，在負性光刻膠中形成激光直寫聚焦點區(qū)域，該聚焦點區(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，當要制作圖6所示的連接平臺時，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)。當要制作圖5a所示的錐形結(jié)構(gòu)時，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)。需要說明的是，制作連接平臺和錐形結(jié)構(gòu)時，需要先曝光形成連接平臺形狀曝光區(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，這可以通過在與光纖端面連接的光刻膠處進行曝光的方式實現(xiàn)。并且，連接平臺設(shè)計了導流孔，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。在一個實施例中，采用如圖6所示的方形連接平臺，采用方形而不是其它形狀的主要原因是:激光直寫設(shè)備采用點到點曝光，對于相同的曝光長度，方形只需要四個點的坐標，而圓形需要40個點的坐標，因此，方形臺子的制備速度更快，效率更高。制備該方形臺子時，采用對三維圖形進行切片處理，然后逐個切片進行掃描曝光的方案，對于每個切片，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，即對三維圖形進行切片處理，然后逐個切片進行掃描曝光，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，每個切片的曝光點數(shù)量都十分巨大，導致加工耗時較長。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，發(fā)明人巧妙地設(shè)計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行均勻連續(xù)地掃描，并且在掃描過程中，掃描完第一個螺圈后，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螺圈對應(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復(fù)雜的三維圖形進行切片處理，工藝上易于實現(xiàn)。同時，大大減少了曝光點數(shù)量，顯著地節(jié)省了加工時間。需要說明的是，當需要制備如圖5b所示的尖端開孔的錐形結(jié)構(gòu)時，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，對完成所述激光直寫掃描曝光的光刻膠進行顯影、定影，得到與所需形狀的連接平臺和表面帶有螺紋的錐形結(jié)構(gòu)。一個實施例中，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程中從連接平臺的導流孔被溶解、排出。完成顯影、定影后，將樣品取出自然風干，即可得到一個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)明的一個例子中，正方形臺子的邊長為21微米，小孔邊長4微米，臺子高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)明的一個實施例，在步驟5所得的光纖端面上的空心錐形結(jié)構(gòu)表面進行金屬蒸鍍，或者進行介質(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)層一方面可以進一步提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另一方面通過介質(zhì)層的選取，可以進一步調(diào)整介質(zhì)/金屬界面特性，從而實現(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)明一個光纖探針的成品的實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)及其連接平臺的放大圖，在圖10的例子中，錐形結(jié)構(gòu)的尖端帶有開孔。這種光纖探針結(jié)合了兩種導光原理，能夠達到更高的通光效率。
[0063]上述實施例中，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，該類光纖探針具有如下優(yōu)點:
[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)計和控制(精度達到100納米量級)，錐形區(qū)域較小(可以小到10?40微米)，具有易于集成的特點；
[0065]2、整個光纖探針的輸入輸出端都可以通過光纖的另一端實現(xiàn)，因此可以通過內(nèi)部照明的方式，有效提高信噪比；
[0066]3、通過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。圖11示出了一個圓錐結(jié)構(gòu)頂端不帶孔的光纖探針的光信號傳輸示意圖。其中，輸入光信號通過光纖芯和連接平臺內(nèi)的通光孔照射到錐形結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴▽Ｊ焦庑盘?，進而在錐形結(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。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(即表面等離子體激元焦點)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、通過在圓錐外表面引入微結(jié)構(gòu)如螺旋波紋結(jié)構(gòu)并進行金屬鍍膜，可以提高圓錐對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(可以達到1%量級)。
[0068]特別的，在本發(fā)明的一些實施例的光纖探針中，其圓錐結(jié)構(gòu)頂端開孔(如圖10所示)。對于這類圓錐結(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)頂端的開孔透射光束，因此它能夠達到更高的通過效率。例如，當錐形結(jié)構(gòu)頂端的開孔的直徑為180納米時，通過效率可以達到2%以上。
[0069]綜上所述，本發(fā)明提出的光纖探針具有優(yōu)異的光學性能，可以為設(shè)計和制造高空間分辨、高通量和高集成的光學探針提供一種新的可能，能夠滿足光纖探針在信號光的通過效率、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)計成同心圓形條紋、不對稱條紋。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)說明的是，以上實施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對本技術(shù)方法進行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其它的修改、變化、應(yīng)用和實施例，并且因此認為所有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實施例都在本發(fā)明的精神和教導范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
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，以及制作在連接平臺上的錐形結(jié)構(gòu)；所述連接平臺中心具有與所述光纖的光纖芯適配的通光孔，所述連接平臺的側(cè)壁上設(shè)置有導流孔，所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部中空，且其底部開口與所述連接平臺的通光孔適配，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，所述連接平臺為方形平臺，所述導流孔為長方形通孔。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)備對光刻膠進行曝光，得到所述連接平臺和所述錐形結(jié)構(gòu)的形狀的曝光區(qū)； 3)對光刻膠進行顯影和定影，將所述連接平臺和所述錐形結(jié)構(gòu)內(nèi)部未曝光區(qū)域的光刻膠通過所述導流孔排出，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)對光纖的一端進行處理，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，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，移動樣品臺使所述光纖端面與所述襯底上的光刻膠接觸，并在毛細作用下均勻地覆蓋整個光纖端面。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，使上下相鄰的兩個螺圈對應(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，通過下列步驟得到所述連接平臺形狀的曝光區(qū):對所述連接平臺的三維圖形進行切片處理，然后用三維激光直寫設(shè)備的體像素逐個切片進行掃描曝光。
【文檔編號】G01Q60/22GK106033092SQ201510102095
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月9日
【發(fā)明人】李家方, 李無瑕, 牟佳佳, 顧長志, 李志遠
【申請人】中國科學院物理研究所