CN104777332A - 高效率突破衍射极限的探针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高效率突破衍射极限的探针及其制备方法，探针包括光纤锥和固定于光纤锥末端的导电纳米线，光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料。制造探针的方法包括如下步骤：S1、制备光纤锥和导电纳米线；S2、取特定长度的导电纳米线，并将其固定在所述光纤锥的末端；导电纳米线优选为银纳米线，直径优选为小于300纳米。本发明实现了从光学模式到表面等离激元模式之间的高效率转换，同时利用表面等离激元对电磁场的束缚，把能量压缩到突破衍射极限的尺度。在提高分辨率的同时，将近场探针的效率大大提高。

Description

高效率突破衍射极限的探针及其制备方法

技术领域

本发明属于近场光学和表面等离激元领域，提出了一种高效探针的制备方法，可以在近场扫描系统中的成像，传感，内窥镜以及量子光学系统中得到应用。

背景技术

传统的近场光学探针，是在一个锥形的介质探针表面镀上金属，然后在端口留出一个可以发射和收集光的小孔，在近场光学范围内，这种探针可以在AFM系统的控制下做扫描，与物质结构表面的倏逝波相互作用，可以突破衍射极限。

但是这种探针是以牺牲光的传输效率为代价，为了实现高的分辨率，就要设计很小的小孔，这样会使光的透过率变低，通常低于1/1000。而且探针的收集效率会更低。这就限制了近场探针在弱信号下的应用，比如量子光学和量子信息领域。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在利用光纤锥波导和金属银纳米线波导之间的倏逝波耦合，实现从光学模式到表面等离激元模式之间的高效率转换，同时利用表面等离激元对电磁场的束缚，把能量压缩到突破衍射极限的尺度。在提高分辨率的同时，将近场探针的效率大大提高。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提出一种探针，包括光纤锥和固定于光纤锥末端的导电纳米线，所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，所述导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料。

优选地，所述光纤锥的张角为3～5度。

优选地，所述导电纳米线的直径小于200纳米。

优选地，所述导电纳米线为银纳米线。

本发明还提出一种制造探针的方法，包括如下步骤：S1、制备光纤锥和导电纳米线；S2、取特定长度的导电纳米线，并将其固定在所述光纤锥的末端；所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，所述导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料。

根据本发明的优选实施方式，在所述步骤S2中，使用透明胶水将所述光纤锥和导电纳米线固定。

根据本发明的优选实施方式，在所述步骤S2中，还包括调整银纳米线和光纤锥的耦合距离的步骤，以使二者耦合效率达到最大。

(三)有益效果

不同于靠光通过小孔的衍射的探针，本发明的探针通过光纤锥绝热地把场模压缩到亚波长量级，然后通过模式之间的耦合，将这个光学模式转换为具有更小模式面积的表面等离激元模式(有效模式面积R^2)，这个效率理论上可以达到90％以上，远远超过了现在的商用近场探针。

除此之外，本发明的探针还有以下两个优良的特点：

1.将有偏振性质的单光子或者激光输入这个探针，光的偏振性质可以得到很好的保持。

2.双光子的偏振纠缠态在经过这个探针后，纠缠度可以很好的保持。

同时，我们的探针制备方法非常简单，不需要对介质探针进行镀膜，只需要对普通光纤进行拉锥然后在显微系统下对其进行操作即可。这里用到的一个慢慢变细的波导(光纤锥)和一个直径固定的波导(银纳米线)之间的耦合，与普通的两个直径固定直径的波导之间的耦合相比，对光纤锥尺寸的要求很低，允许比较大的尺寸误差。

附图说明

图1是本发明的探针的结构示意图。

图2是本发明的一个实施例的300nm探针的扫描电镜图片；

图3是本发明的一个实施例的通光后的300nm直径的银纳米线制备的探针的光学显微镜图片；

图4是本发明的一个实施例的通光后的100nm直径的银纳米线制备的探针的光学显微镜图片；

图5是本发明的一个实施例的300nm探针的偏振性质测量结果；

图6是本发明的一个实施例的300nm探针的维持纠缠性质的测量结果。

具体实施方式

本发明提出一种高效率突破衍射极限的探针及其制备方法。本发明的探针包括光纤锥和导电纳米线，所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料。所述导电纳米线固定于光纤锥的末端。

图1示出了本发明的探针的结构示意图。如图1所示，该探针包括光纤锥1和导电纳米线2。

根据本发明，光纤锥1的张角优选为3～5度。导电纳米线2的直径优选为300纳米以下，更优选为50～200纳米。

所述导电纳米线2的材料可以是任意的能够提供自由电子的材料，通常可为金属，优选为银。

光纤锥1和导电纳米线2可通过任意方式相互固定，例如采用对光透明的胶水(如环氧树脂)进行粘结。光纤锥1与导电纳米线2的重叠部分的长度可以在5至10微米，具体长度依据耦合效率而定。

本发明的探针的制备方法包括：

S1、制备光纤锥和导电纳米线。

S2、取特定长度的导电纳米线，并将其固定在所述光纤锥的末端。

上述制备方法中，步骤S1的制备光纤锥和导电纳米线的方法可采用现有技术。步骤S2也可采用现有的微装配技术进行。例如在三维微纳平移台上，先在光纤锥上点胶，然后将导电纳米线移动至固定位置并与胶水接触。等胶水风干后则可得到可发明的探针。但应注意，本发明不排除采用其他方法来使光纤锥与导电纳米线固定。

下面通过一个具体实施例来进一步说明。

在该实施例中，利用现有的光纤制作光纤维，导电纳米线使用银纳米线。

S1.1、光纤锥的制备：

首先，根据工作波长选取合适的光纤，然后剥去涂敷层，用酒精进行清洗。然后，拉紧清洗后的光纤两端，放在酒精灯火焰上进行灼烧若干秒。等光纤接近烧熔的时候，用力将光纤两端拉开。

在显微镜下观察得到的光纤锥，可看到其直径由125微米缓慢变化到100纳米左右。此过程要求光纤锥直径变化缓慢，张角一般在3至5度。

S1.2、银纳米线的制备

该实施例采用硝酸银、PVP反应合成银纳米线。

S2、光纤锥与银纳米线的固定

首先，在显微镜系统下观察，用三维微纳平移台控制钨针挑起一根所需直径的银纳米线。然后，将环氧树脂等涂在一根普通光纤表面，在显微系统下用另一套三维微纳平移台控制这根光纤移动到光纤锥旁边(注意：胶水尽量选取折射率较低的，以免影响光纤锥的传光性质)。接着，控制光纤锥慢慢靠近涂有胶水的普通光纤，使光纤锥从普通光纤的表面上粘取少量胶水(注意：不可粘取过多，以免影响光纤锥的性质)。在光纤维中通入光，可以看到在光纤锥端口有散射的亮光，使用钨针将银纳米线放到光纤锥上面，调整合适的耦合距离，使耦合效率达到最大。最后，移开钨针，等胶水风干，凝固，光纤锥与银纳米线粘牢固即可。

该实施例中，利用上述方法制备了两种不同的探针，所用银纳米线分别为300nm直径和100nm直径。

第一种

1.选取光波长808nm下的单模光纤，用上述方法烧制光纤锥。

2.将300nm直径的纳米线溶液滴在基片上，在显微镜下观察，选取一根长度合适的，然后用钨针将其挑起来。

3.对光纤锥进行涂胶，然后将钨针上的纳米线和它粘在一起。

第二种

1.选取波长为632.8nm下的单模光纤，并烧制光纤锥。

2.选取100nm直径银纳米线溶液，然后重复第一种中2操作。

3.重复第一种中3操作。

得到的两种探针分别可以在808nm和632.8nm波段进行有效工作。用共聚焦光路测得第一种探针的效率，对不同的偏振光平均有7.5％，远远高于普通的近场探针。

图2是上述制实施例制备的一个探针的扫描电镜图片。如图2所示，纳米线的直径为300nm左右。

图3是通光后的300nm直径的银纳米线制备的探针的光学显微镜图片，图4是通光后的100nm直径的银纳米线制备的探针的光学显微镜图片。如图所示，光纤锥上的散射光为粘的胶水的散射光。

图5是上述实施例的300nm探针的偏振性质测量结果。单光子通过偏振控制器，保证光纤本身不改变光子的偏振，然后被导入到探针里面。在纳米线端点，光子会辐射出去，然后被物镜收集，经过空间滤后，分析输出光的偏振。对于纠缠的双光子，一个光子经过探针，另一个经过光纤。经过和上述一样的过程，对收集的双光子进行态分析，得到输出态的形式，然后计算纠缠的维持。如图5所示，输入一个固定偏振的光子，然后改变输出端的测量基，得到一个良好的正弦变化，说明光子的偏振被维持的很好。

图6是上述实施例的300nm探针的维持纠缠性质的测量结果。该图双光子的符合曲线。实线(虚线)对应把一个光子投影到H偏振(H+V偏振)上，改变对另外一个光子的测量基，得到的符合计数率。误差遵从泊松统计。这两个曲线很直接的说明了，输出态中纠缠的存在。

综上所述，本发明提出了一种把光的场模压缩到任意小的方法，根据选取的金属纳米线的直径，场模可以达到几十个纳米，甚至更小。这种方式做成的探针，有希望取代目前所用的常规商用探针，可以用来去局域地激发和收集很小的颗粒以及它的荧光，也可以用来做超分辨成像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种探针，其特征在于，包括光纤锥和固定于光纤锥末端的导电纳米线，所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，所述导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料。

2.如权利要求1所述的探针，其特征在于，所述光纤锥的张角为3～5度。

3.如权利要求1所述的探针，其特征在于，所述导电纳米线的直径小于300纳米。

4.如权利要求1所述的探针，其特征在于，所述导电纳米线为银纳米线。

5.一种制造探针的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制备光纤锥和导电纳米线；

S2、取特定长度的导电纳米线，并将其固定在所述光纤锥的末端；

所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，所述导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料。

6.如权利要求5所述的制造探针的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，使用透明胶水将所述光纤锥和导电纳米线固定。

7.如权利要求5所述的制造探针的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，还包括调整银纳米线和光纤锥的耦合距离的步骤，以使二者耦合效率达到最大。