CN101602183B - 一种制备近场光学探针的研磨装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备近场光学探针的装置及其方法，所述装置包括减振橡胶、支撑底板、三相无刷电机、调节架和光学显微镜，所述的支撑底板水平设置的减震橡胶上，支撑底板上固定三相无刷电机、调节架和光学显微镜；所述方法首先将石英光纤固定在调节架上，并以设定的角度固定在研磨材料的上方，当研磨材料旋转时，使光纤接近研磨材料并产生摩擦，然后将光纤沿其轴向旋转不同的角度，反复与研磨片接近并摩擦；即可磨制出三棱锥、四棱锥及圆锥等不同形状的近场光学探针。该方法克服了制作光纤探针锥角的限制，可以直接设定研磨锥角，制作方式灵活；制作过程安全、环保；制备时间短，参数容易精确控制，重复性好；整个装置的操作简便，制备成本低廉。

Description

一种制备近场光学探针的研磨装置及其方法

技术领域

本发明涉及光纤探针的制备，特别涉及一种制备近场光学探针的研磨装置与方法，属于纳米光学、近场光学、扫描探针显微技术等领域。

背景技术

近场光学显微术(缩写为：SNOM或NSOM)是二十世纪八十年代以来光学领域中出现的一种新的显微成像技术。SNOM不仅继承了传统光学显微术的优势，而且突破了衍射效应的制约，使分辨率拓展到100纳米以下。利用SNOM人们既可以获得物质表面的微观形貌，又可以获取光学信息。如今，SNOM已经渗透到物理、化学、材料及生物等各个领域。

SNOM技术的核心之一就是光学探针的制备技术。目前，大多数SNOM中使用的光学探针都是圆锥形的光纤探针。传统的圆锥形光纤探针制作方法有：热拉伸法、化学腐蚀法或这两者结合起来使用的方法。光纤热拉伸方法通常使用商用的微管拉伸机，使用大功率二氧化碳激光器或微小电弧作为热源，将光纤熔融后拉制成型。制造出来的针尖具有很光滑表面，非常有利于镀金属膜，但是锥的长度大、锥角小，另外纤芯形状被改变，通光效率低，损耗大，不利于隐失波的收集与传播。相反，化学腐蚀法可以制作出短小、锥角稍大的探针，可是探针的表面粗糙并且会形成很多微小的突起。一方面不利于镀金属膜，另一方面这些突起形成了很多散射中心，引起了光的损耗。管腐蚀法的出现改善了现有的化学腐蚀方法，制作出的光纤探针表面光滑。但由于还是化学方法，仍有很多实验参数无法精确的控制，比如腐蚀液的浓度，腐蚀温度和时间等等，有报道称仅改变覆盖层溶液的参数就会使探针的锥角改变30度之多。动态腐蚀法可以进一步修改探针的形状，以形成大锥角(达到了50度左右)或多重锥角的光纤探针，但实际操作中的重复性不容易保证。此外作为腐蚀液的主要成分氟化氢是一种易挥发的剧毒物质，若防护措施不当会对实验人员的身体造成极大伤害。

现有技术“虹吸提升法腐蚀制备光纤探针的装置及方法”(申请号：03131830.4)、“近场光纤探针及其制备方法”(申请号：200610058714.3)、“光纤探针的制造方法”(申请号：200610061853.1)、“可控的制备光纤探针的装置和方法”(申请号：200610028626.9)均是由化学腐蚀方法改进而来。虽然光纤探针的品质得到进一步改良，但不可避免地都存在上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种使用简便、操作安全、环保的近场光学探针的研磨制备装置及方法。本发明具有光纤探针制作快速便捷、探针锥角可控且调节范围大等特点，可制备重复性好，尖端曲率半径小，表面光滑以及多种锥形的近场光学光纤探针。

本发明所述的一种制备近场光学探针的装置主要包括：减振橡胶、支撑底板、三相无刷电机、调节架和光学显微镜。

所述的支撑底板水平设置的减震橡胶上，支撑底板上固定三相无刷电机，三相无刷电机的主轴固定一旋转盘，在旋转盘上粘接一个研磨用橡胶垫，橡胶垫上设置研磨片，所述的研磨片用少量水铺在橡胶垫上。

所述的调节架上固定有光纤，并且该调节架可以调节光纤与研磨片和光学显微镜之间的距离。所述的调节架结构主要包括：光纤夹具、带刻度转轮、转轮架、可调节支架、支架底座、步进电机和二维移动台，所述的二维移动台固定在支撑底板上，可以在垂直于支撑底板的平面内沿竖直或水平方向运动。石英光纤竖直固定在光纤夹具的中心，光纤夹具固定在带刻度转轮的中心，带刻度转轮固定在转轮架中。带刻度转轮的旋转，可带动光纤夹具及石英光纤沿着自身的轴向转动。转轮架固定在可调节支架上，可调节支架通过支架底座固定在二维移动平台上。在转轮架上还固定有步进电机，步进电机可以通过皮带带动转轮转动，进而带动光纤夹具及光纤沿自身轴向转动。

所述的可调节支架在支架底座中可沿自身轴向转动，用以调节石英光纤与研磨片的夹角，进而控制光纤探针锥角的大小。所述的带刻度转轮上标有刻度值，刻度值的作用是确定研磨时各研磨面之间的夹角。

所述的光学显微镜作为光学辅助观察装置，包括光学显微镜主体、USB接口的CCD相机和光学显微镜支架。光学显微镜主体与USB接口的CCD相机相连，并一起通过一个光学显微镜支架固定在支撑底板的上方。

利用所述的近场光学探针研磨装置制作光学探针的方法如下：

1、研磨装置准备过程：截取一段光纤，除其两端的涂覆层；然后将光纤的两个端面切齐，将光纤固定在夹具上。

2、调节光纤研磨角度：根据需要研磨的探针形状，确定研磨锥角α，调整可调节支架，使光纤与研磨片成α角；通过光学显微镜和CCD相机，观察光纤端面的位置；然后调节二维移动台垂直方向的位置使光纤逐步逼近研磨片表面。打开电源，使三相无刷电机带动整个橡胶垫及研磨片开始高速旋转。

3、开始研磨制备过程：调节二维移动台垂直方向的位置使光纤接触到研磨片表面并进行研磨；通过光学显微镜观察光纤端面的研磨情况。一个面磨制成型之后，调节二维移动台使光纤与研磨片分离。

4、在光学显微镜的辅助观察下，调节带刻度转轮的角度，然后反复进行步骤3，制作下一个研磨面或对探针形状进行修饰，直至形状符合设计要求。

5、对光纤探针的清洗：退出光纤夹具，取下光纤并浸入无水乙醇中进行超声清洗，最后用去离子水冲洗。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、制作探针的锥角可以直接设定，不受制作方法的限制。特别是在制作大锥角的光学探针上要优于传统的化学腐蚀方式，制作方式更加灵活。

2、由于不再使用具有腐蚀性的化学试剂，制作过程更加安全、环保。与传统的化学腐蚀方法相比，对操作者没有任何伤害。

3、相比于化学腐蚀法制作光纤探针的时间大大缩短。而且在本装置中，各项调节参数更容易精确控制，可以保证探针制作的重复性。

4、可以制作出多种形状的探针，如：三棱锥、四棱锥或者圆锥。

5、整个装置的实验操作简便，每根光纤探针的制作成本低廉。

附图说明

图1为本发明研磨法制作近场光学探针装置的结构示意图。

图2为本发明清洗光纤探针装置的结构示意图。

图3用本发明的装置和方法制备的三棱锥光纤探针的结构示意图。

图4用本发明的装置和方法制备的四棱锥光纤探针的结构示意图。

图5用本发明的装置和方法制备的四棱锥光纤探针尖端的电子显微照片。

图中：

1支撑底板        2调节架            3减震橡胶        4三相无刷电机

5光学显微镜      401旋转盘          402橡胶垫        403研磨片

201光纤夹具      202石英光纤        203带刻度转轮    204转轮架

205可调节支架    206支架底座        207步进电机      208皮带

209二维移动台    501光学显微镜主体  502CCD相机       503光学显微镜支架

6固定支架        7悬臂              8超声波清洗机    9烧杯

10水             11无水乙醇

具体实施方式

参阅图1，本发明提供的制备近场光学探针的研磨装置主要包括减振橡胶3、支撑底板1、三相无刷电机4、调节架2和光学显微镜5。

所述支撑底板1水平设置在减震橡胶3上，支撑底板1的中部位置固定一个三相无刷电机4，支撑底板1的两端分别设置有调节架2和光学显微镜5，所述的调节架2用于固定光纤，光学显微镜5用来观察或监测光纤的研磨过程。如图1所示，所述的三相无刷电机4的主轴上固定一片5英寸圆形铝板作为旋转盘401，旋转盘401位于支撑底板1中部上方，在旋转盘401上粘接一个5英寸研磨用橡胶垫402，研磨片403用少量水铺在橡胶垫402上。

所述的调节架2包括光纤夹具201、带刻度转轮203、转轮架204、可调节支架205、支架底座206、步进电机207、皮带208和二维移动台209。所述的二维移动台209固定在支撑底板1上，可以在垂直于支撑底板1的平面内沿竖直或水平方向运动。竖直方向运动可以调节石英光纤202与研磨片403的间距；水平方向运动可以调节石英光纤202与光学显微镜5的距离。石英光纤202固定在光纤夹具201的中心，光纤夹具201固定在带刻度转轮203的中心，带刻度转轮203固定在转轮架204中。带刻度转轮203的旋转，可带动光纤夹具201及石英光纤202沿着自身的轴向转动。转轮架204固定在可调节支架205上，可调节支架205通过支架底座206固定在二维移动平台209上。可调节支架205在支架底座206中可沿自身轴向转动，用以调节石英光纤202与研磨片403的夹角，进而控制光纤探针锥角的大小。在转轮架204上还固定有步进电机207，步进电机207可以通过皮带208带动带刻度转轮203转动，进而带动光纤夹具201上的光纤202转动。

所述的带刻度转轮203可以在转轮架204中沿自身轴向转动。当需要研磨棱锥形探针时，研磨几个锥面就旋转几次带刻度转轮203；当需要研磨圆锥形探针时，通过步进电机207带动带刻度转轮203匀速旋转，形成圆锥形探针。所述的带刻度转轮203上标有刻度值，刻度值的作用是确定各研磨面之间的夹角，譬如说三棱锥探针就是每次旋转带刻度转轮203角度为120度，如果是四棱锥探针则需要每次旋转90度，以此类推。

所述的光学显微镜5作为光学辅助观察装置，包括光学显微镜主体501、USB接口的CCD相机502和光学显微镜支架503。光学显微镜主体501与USB接口的CCD相机502相连，所述的光学显微镜主体501、USB接口的CCD相机502通过一个光学显微镜支架503固定在支撑底板1的上方，其重量由光学显微镜支架503支撑。

本发明还提供一种基于上述研磨装置的研磨方法，具体步骤如下：

第一步，研磨装置准备过程。首先取出长约50厘米的一段石英光纤202，使用光纤切割刀将石英光纤202的两个端面切齐；然后将光纤202固定在光纤夹具201中，并使光纤202伸出光纤夹具201前端2厘米并固定好。用顶丝将光纤夹具201固定在带刻度转轮203的通孔之中，光纤202另一端可以自由放置。将转轮架204的一侧固定上可调节支架205，并将可调节支架205插入固定在二维移动台209上的支架底座206中。旋转带刻度转轮203，使初始的刻度值指示为零度。

第二步，调节光纤研磨角度。调整可调节支架205，使待研磨的石英光纤202与研磨片403之间的夹角为α＝45度。调节二维移动台209水平方向的位置，使石英光纤202的末端位于光学显微镜主体501的焦平面上，这样可以清晰的观察到石英光纤202的末端以及研磨片403与空气的界面。在光学显微镜主体501和CCD相机502的辅助下，缓慢调节二维移动台209竖直方向的位置，将待研磨的石英光纤202逼近研磨片403表面之后。打开三相无刷电机4的电源，研磨片403在三相无刷电机4的带动下开始高速旋转。

第三步，开始研磨制备过程。缓慢调节二维移动台209竖直方向的位置，直到石英光纤202与研磨片403接触并发生摩擦。用光学显微镜主体501和CCD相机502对研磨情况进行辅助观察，当观察到石英光纤202停止抖动时，表明该面的研磨过程结束。再次缓慢调整二维移动台209竖直方向的位置，将石英光纤202从研磨片403表面撤离。

第四步，在光学显微镜的辅助观察下，调节带刻度转轮的角度，将带刻度转轮203旋转至β角，再重复第三步的过程，制作下一个研磨面。如果研磨三棱锥探针(见图3所示形状)，则β依次等于120度和240度；如果研磨四棱锥探针(见图4所示形状)，则β依次等于90度、180度和270度；如果研磨圆锥形探针，则将开启辅助步进电机207，使带刻度转轮203匀速旋转，这时再缓慢接近并研磨。

在平移和旋转过程中由于机械误差会造成非理想探针形状，这时只需在光学显微镜主体和CCD相机502的辅助下，重复上述的研磨制备过程。对不理想的研磨面进行进一步的修饰，直至结构满足设计要求。

第五步，对光纤探针的清洗。光纤探针研磨完成后，取下光纤夹具201，并小心取出光纤202，然后利用清洗装置进行清洗。参阅图2，所述的清洗装置主要包括固定支架6、悬臂7、超声波清洗机8和烧杯9。在所述的固定支架6上，通过紧固螺丝固定一水平悬臂7，悬臂7在固定支架6上的高度可以通过紧固螺丝来调节。超声波清洗机8放置在固定支架6的底座上，位于悬臂7的正下方。在清洗时，首先将加工好的光纤202沿竖直方向粘接到悬臂7的中部，然后将超声波清洗机8的水槽内注入1/3的水10。最后将盛有无水乙醇11的烧杯9放入水槽中，调节悬臂7的高度，将悬挂的光纤202小心的置于烧杯9内部的无水乙醇11中。然后开启超声清洗机8约15分钟左右，用去离子水冲洗后取下光纤202，放入盒中待用，这时整个制备过程结束。所制作光纤探针的电子显微照片见图5所示。

本发明的近场光学探针的研磨装置及其方法可直接设定光纤探针的锥角，不同于传统光纤探针制作方式中探针锥角会受到制作方法的限制，制作方式更加灵活；不使用带有腐蚀性的化学试剂，制作过程安全；制备光纤探针的时间大大缩短。此外，制备的各项调节参数更容易精确控制，可以保证探针制作的重复性；可以制作出多种形状的探针，如：三棱锥、四棱锥或者圆锥。整个装置的实验操作及其简便，每根光纤探针的制作成本低廉。

Claims (4)

1.一种制备近场光学探针的研磨装置，其特征在于：该装置主要包括减振橡胶、支撑底板、三相无刷电机、调节架和光学显微镜；

所述的支撑底板水平设置在减震橡胶上，支撑底板下方固定三相无刷电机，三相无刷电机的主轴固定一旋转盘，在旋转盘上粘接一个研磨用橡胶垫，橡胶垫上设置研磨片，所述的研磨片用少量水铺在橡胶垫上；所述的调节架和光学显微镜分别固定在支撑底板两端；所述的调节架上固定有光纤，所述的光学显微镜作为光学辅助观察装置用于监测探针的研磨过程；所述的光学显微镜包括光学显微镜主体、USB接口的CCD相机和光学显微镜支架；光学显微镜主体与USB接口的CCD相机相连，并一起通过一个光学显微镜支架固定在支撑底板的上方，调节二维移动台水平方向的位置，使石英光纤的末端位于光学显微镜主体的焦平面上；

所述的调节架结构主要包括光纤夹具、带刻度转轮、转轮架、可调节支架、支架底座、步进电机和二维移动台，所述的二维移动台固定在支撑底板上，可以在垂直于支撑底板的平面内沿竖直或水平方向运动；石英光纤竖直固定在光纤夹具的中心，光纤夹具固定在带刻度转轮的中心，带刻度转轮固定在转轮架中；带刻度转轮的旋转带动光纤夹具及石英光纤沿着自身的轴向转动；转轮架固定在可调节支架上，可调节支架通过支架底座固定在二维移动台上；在转轮架上还固定有步进电机，步进电机通过皮带带动转轮转动，进而带动光纤夹具上的光纤转动，使得光纤前端在研磨片上研磨成各种角度的光纤探针；所述的可调节支架在支架底座中沿自身轴向转动，用以调节石英光纤与研磨片的夹角，进而控制光纤探针锥角的大小。

2.根据权利要求1所述的一种制备近场光学探针的研磨装置，其特征在于：所述的带刻度转轮通过可调节支架在支架底座中沿轴向转动，用于调节光纤研磨的锥角；所述的带刻度转轮上标有刻度值，刻度值的作用是确定各研磨面之间的夹角。

3.一种制备近场光学探针的研磨方法，其特征在于：

步骤一、研磨装置准备过程：截取一段光纤，除其两端的涂覆层；然后将光纤的两个端面切齐，将光纤固定在夹具上；

步骤二、调节光纤研磨角度：根据需要研磨的探针形状，确定研磨锥角α，调整可调节支架，使光纤与研磨片成α角；调节二维移动台水平方向的位置，使石英光纤的末端位于光学显微镜主体的焦平面上，通过光学显微镜观察光纤端面的位置；然后调节二维移动台垂直方向的位置使光纤逐步逼近研磨片表面；打开电源，使三相无刷电机带动整个橡胶垫及研磨片开始高速旋转；

步骤三、开始研磨制备过程：调节二维移动台垂直方向的位置使光纤接触到研磨片表面并进行研磨；通过光学显微镜观察光纤端面的研磨情况；一个面磨制成型之后，调节二维移动台使光纤与研磨片分离；

步骤四、在光学显微镜的辅助观察下，调节带刻度转轮的角度，然后反复进行步骤三，制作下一个研磨面或对探针形状进行修饰，直至形状符合设计要求；

步骤五、对光纤探针的清洗：退出光纤夹具，取下光纤并利用清洗装置对光纤一端的探针进行清洗，最后用去离子水冲洗后放入盒中待用。

4.根据权利要求3所述的一种制备近场光学探针的研磨方法，其特征在于：所述的清洗装置主要包括固定支架、悬臂、超声波清洗机和烧杯，在所述的固定支架上，通过紧固螺丝固定一所述悬臂，该悬臂是水平的，悬臂在固定支架上的高度通过紧固螺丝来调节，超声波清洗机放置在固定支架的底座上，位于悬臂的正下方；

在清洗时，首先将加工好的光纤探针沿竖直方向粘接到悬臂的中部，然后将超声波清洗机的水槽内注入水，最后将盛有无水乙醇的烧杯放入水槽中，调节悬臂的高度，将悬挂的光纤探针小心的置于烧杯内部的无水乙醇中，然后开启超声清洗机约15分钟左右，用去离子水冲洗后取下光纤探针，放入盒中待用。

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