CN106033092B - 一种光纤探针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤探针，包括具有光滑平整的光纤端面的光纤，制作在光纤端面上的连接平台，以及制作在连接平台上的锥形结构；连接平台中心具有与光纤芯适配的通光孔，连接平台的侧壁上设置有导流孔，所述锥形结构内部中空，且其底部开口与所述连接平台的通光孔适配，所述锥形结构的表面具有波纹。本发明还提供了相应的光纤探针的制备方法，包括：1)在光纤端面均匀地布置光刻胶；2)用三维激光直写设备对光刻胶进行曝光，得到所述连接平台和所述锥形结构的形状的曝光区；3)对光刻胶进行显影和定影，将内部未曝光区域的光刻胶通过导流孔排出。本发明同时具有高空间分辨率和高通光效率；不需要在探针附近配备外部光场激发系统，集成度高。

Description

一种光纤探针及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学和微加工技术领域，具体地说，本发明涉及一种光纤探针及其制备方法。

背景技术

光纤探针广泛应用于纳米光子学，材料科学，生化传感，信息科学等领域，在近场扫描光学显微镜(NSOM)、扫描探针显微镜(SPM)，针尖增强的拉曼光谱(TERS)等系统中显示出重要的应用价值。

图1示出了一种现有技术中一种典型的光纤探针的结构示意图，它包括光纤1，光纤保护套2和金属膜3。其中，裸露在外的光纤芯长度b通常为7～8毫米，锥形区域的长度a通常为约200微米。目前，这种光纤探针可以通过熔融拉锥法、腐蚀法、管腐蚀法、熔拉－腐蚀法、激光消融法、熔融两步拉伸法等多种方法制备，这些制备方法可以对光纤探针的尖端大小、锥角、表面粗糙度等特征进行一定程度的控制。然而，这种对光纤芯本身进行腐蚀、消融、拉伸加工锥形结构的加工方式精度有限，可重复性不高，且很难在锥形结构表面引入微结构。

另一方面，光纤探针在光学方面的应用主要基于两类原理。一类是波导原理。波导原理的光纤探针基于极小的物理尺寸(尖端直径可达100nm以下)，可以将常规光纤中的光信号传递至探针的尖端，形成极小区域的照明场，从而实现空间上的高分辨，比较典型的应用是尖端带孔的NSOM光纤探针。图2示出了NSOM光纤探针及其照明模式。参考图2，NSOM光纤探针中，内部照明光线4到达尖端的锥形结构后，一部分被锥形结构反射形成反射光5，一部分在从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光纤探针的分辨率主要取决于尖端小孔的大小(一般在100nm)，孔较大时探针的导光效率较高，但探针的空间分辨率会大大降低；孔较小时虽然具有较高的空间分辨率，但通光效率较低(100nm的小孔透光效率在0.01％量级)。

另一类是基于表面等离子体激元的光纤探针。表面等离子体激元是一种光波与金属中自由电子相互作用产生的电磁模式，它能突破衍射极限，实现亚波长级别甚至纳米级别的光学分辨率，如尖端不带孔的TERS探针。图3示出了TERS光纤探针及其照明模式，参考图3，TERS探针采用外部光场激发方式，外部照明光8照射尖端形成散射光9。TERS探针具有极高的空间分辨率，但目前该类探针激发效率小于0.001％，不具有导光性能，而且外部光路比较复杂、信噪比差，不利于系统集成。

发明内容

因此，本发明的任务是克服现有技术的不足，提供一种光纤探针及其制备方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种光纤探针，包括具有光滑平整的光纤端面的光纤，制作在光纤端面上的连接平台，以及制作在连接平台上的锥形结构；所述连接平台中心具有与所述光纤的光纤芯适配的通光孔，所述连接平台的侧壁上设置有导流孔，所述锥形结构内部中空，且其底部开口与所述连接平台的通光孔适配，所述锥形结构的表面具有波纹。

其中，所述锥形结构的表面制备有金属膜。

其中，所述锥形结构的尖端具有小孔。

其中，所述锥形结构的尖端封闭。

其中，所述连接平台和所述锥形结构均基于三维激光直写设备制作。

其中，所述连接平台为方形平台，所述导流孔为长方形通孔。

其中，所述连接平台中心的通光孔尺寸与所述光纤的光纤芯尺寸匹配，所述连接平台的侧壁的厚度为4～5微米。

其中，所述连接平台侧壁的导流孔的长度(即垂直于光纤端面方向的长度)为6～7微米，宽度为3～4微米。

其中，所述连接平台的垂直于光纤端面方向的长度与所述导流孔的长度匹配，使所述连接平台能够给相应长度的所述导流孔留下足够空间，且所述连接平台不易坍塌。

根据本发明的另一方面，还提供了一种前述所述的光纤探针的制备方法，包括下列步骤：

1)在光滑平整的光纤端面均匀地布置光刻胶；

2)用三维激光直写设备对光刻胶进行曝光，得到所述连接平台和所述锥形结构的形状的曝光区；

3)对光刻胶进行显影和定影，将所述连接平台和所述锥形结构内部未曝光区域的光刻胶通过所述导流孔排出，得到光纤探针。

其中，所述步骤1)包括下列子步骤：

11)对光纤的一端进行处理，得到光滑平整的光纤端面；

12)将光纤的经所述步骤11)处理后的那一端固定在三维激光直写设备的样品台，且所述光纤端面朝下；

13)在透明的衬底上涂覆光刻胶，将所述衬底置于所述光纤端面的正下方，移动样品台使所述光纤端面与所述衬底上的光刻胶接触，并在毛细作用下均匀地覆盖整个光纤端面。

其中，所述步骤2)中，得到所述锥形结构形状的曝光区的方法是：控制三维激光直写设备的体像素沿螺旋下降轨迹扫描光刻胶，所述螺旋下降轨迹的螺圈的半径逐渐缩小直至趋近于零，激光直写体像素沿着该螺旋下降轨迹进行均匀连续地扫描，并且在扫描过程中，扫描完第一个螺圈后，使得沿着所述螺旋下降轨迹扫描至任一位置的激光直写体像素，均与前一螺圈扫描所形成的曝光区域存在交叠，这样就能使上下相邻的两个螺圈对应的曝光区相互拼接，最终形成一表面带有螺旋波纹的中空锥形曝光区。

其中，所述步骤2)中，所述螺旋下降轨迹在接近锥形尖端处停止，使得所述表面带有螺旋波纹的中空锥形曝光区的尖端具有未曝光的小孔。

其中，所述步骤2)中，得到所述连接平台形状的曝光区的方法是：对所述连接平台的三维图形进行切片处理，然后用三维激光直写设备的体像素逐个切片进行扫描曝光。

与现有技术相比本发明具有下列技术效果：

1、本发明同时具有高空间分辨率和高通光效率。

2、本发明通过光纤的另一端耦合输入信号光，不需要在探针附近配备外部光场激发系统，集成度高。

3、本发明的一些实施例能够结合两种导光原理，从而达到更高的通光效率。

4、本发明的光纤探针的空间分辨率可达到小于亚波长的量级。

5、本发明的光纤探针制备方法工艺易于实现，可重复性高。

6、本发明的光纤探针制备耗时少，且成品率高。

7、本发明所制备的空心锥形光纤探针具有极高的集成兼容特性，可以与商用的近场扫描显微镜配合使用。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了一种现有技术中一种典型的光纤探针的结构示意图；

图2示出了现有技术中NSOM光纤探针及其照明模式；

图3示出了现有技术中TERS光纤探针及其照明模式；

图4示出了本发明一个实施例的基于激光直写技术制作的光纤探针的结构示意图；

图5a示出了一个实施例中锥形结构的立体示意图；图5b示出了另一个实施例中锥形结构的立体示意图；

图6示出了一个实施例中连接平台的立体示意图；

图7示出了在光纤端面均匀地布置光刻胶的示意图；

图8示出了本发明一个实施例中的螺旋下降轨迹的示意图；

图9示出了本发明一个实施例中用于连接平台的体像素的扫描路径；

图10示出了本发明一个光纤探针的成品的实际照片及其局部放大图；

图11示出了一个圆锥结构顶端不带孔的光纤探针的光信号传输示意图；

图12示出了图11的光纤端面所在平面的光斑尺寸；

图13示出了图11的光纤探针焦点所在平面的光斑尺寸。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图4示出了本发明一个实施例的基于激光直写技术制作的光纤探针的结构。该光纤探针包括光纤12，该光纤12具有光滑平整的光纤端面13；制作在光纤端面上的连接平台15，该连接平台15具有沿着光纤芯11的轴向设置的通光孔14，该通光孔14的开孔方向和尺寸均与光纤芯适配，连接平台15的侧壁还具有导流孔(导流孔在图4中示出)；以及基于三维激光直写技术制作在连接平台上的锥形结构16，该锥形结构16内部中空，且其底部开口17与连接平台15的通光孔14适配。图5a示出了本实施例中锥形结构的立体示意图，该锥形结构的表面具有波纹，波纹的尺寸根据所传导的光的波长确定。另外，锥形结构的表面制备有金属膜，以便表面等离子体激元的激发和传播。本实施例的锥形结构的尖端是封闭的(即尖端不具有小孔)，此时光线完全通过表面等离子体激元传输至尖端，同样可以实现极高的空间分辨率(可达到小于亚波长的量级)。需要说明的是，本发明的锥形结构的尖端也可以带有小孔，如图5b所示。

图6示出了图4的实施例中连接平台的立体示意图，如图6所示，该连接平台15的侧壁22上设有导流孔23，连接平台15和导流孔23的形状均为方形。本实施例中，连接平台通过在与光纤端面连接的光刻胶处进行曝光的方式制作，因此连接平台设计了导流孔，以便于将锥形结构曝光区域内未曝光的光刻胶洗除。如图6所示，本实施例中，连接平台被设计为四周带孔的底面为正方形的台子。进一步地，在一个优选实施例中，方形台子的中心通光孔形状也为方形，其尺寸与光纤芯匹配，方形台子的侧壁的厚度控制在4～5微米，这个尺寸可以保证连接平台与光纤端面具有足够的接触面积，使二者连接牢靠，同时也具有较高的制备效率。另外，方形台子的总高度(即垂直于光纤端面方向的长度)为10微米以上，这是为了给导流孔留下足够的空间，保证侧壁穿孔的连接平台具有足够的牢固性。方形台子四个侧壁各自具有一个导流孔，每个导流孔均为长方形通孔，其长度(即垂直于光纤端面方向的长度)为6～7微米，宽度为3～4微米，这种导流孔的尺寸既不容易造成方形台子变形，能够确保锥形结构和方形台子内部未曝光的光刻胶很好地洗出，避免残留的光刻胶将对光纤探针成品的性能造成不利影响。方形台子的边长可根据需要自由设计，一般大于10微米。需要说明的是，本发明的连接平台的形状并不限于方形，导流孔也不限于长方形。

下面结合实施例进一步地叙述本发明的光纤探针的制作方法。

根据本发明的一个实施例，提供了一种制作光纤探针的方法，包括下述步骤1至5。

步骤1：选取商用通信光纤(可以是单模光纤或多模光纤)，用酒精对所选取的光纤进行表面清洁处理，然后利用商用的光纤切割刀对光纤进行切割，形成光滑平整的光纤端面。光纤的材质可以是二氧化硅(如通信用光纤)，也可以是其他聚合物材料(如塑料光纤)。

步骤2：将端面光滑平整的光纤固定在飞秒激光直写微加工设备的样品台上。飞秒激光直写微加工设备(即三维激光直写设备，例如：德国Nanoscribe公司，型号为PhotonicProfessional的飞秒激光直写微加工设备)。为了便于理解下文，下面简要介绍一下本实施例所用到的飞秒激光直写微加工设备。

飞秒激光直写微加工设备是一种基于激光体像素曝光而制备三维光聚合图案的设备，下面以双光子三维纳米加工系统为例进行说明。双光子三维纳米加工系统利用飞秒激光作为激光光源，在光路中安置衰减器与快门来调节光的强度与曝光时间。光束经透镜组扩束后通过大数值孔径物镜聚焦到光刻胶上。当聚焦点位于光刻胶内部时，激光聚焦点附近的微小区域吸收光子发生相应的光聚合反应，该微小区域即为曝光区。而激光聚焦点附近的微小曝光区域就是激光直写的最小单位，即体像素。体像素的形状大致为椭球形。另一方面，双光子三维纳米加工系统具有一个压电陶瓷台和一个X-Y样品台，可以用来固定样品或光纤调节架。通过软件控制压电陶瓷台与X-Y样品台按照预先设计的三维路线精确位移，即可使激光直写的体像素(物镜焦点附近的微小区域)沿设定的路径移动。体像素运动的路径连接起来，就构成了所需的三维曝光图案。

步骤3：在光纤端面均匀地布置光刻胶。在一个实施例中，先将光刻胶敷涂在衬底上(例如可使用胶头滴定管蘸取少量的光刻胶，在载波片上滴光刻胶)，将衬底置于光纤端面的正下方，然后将光纤端面缓慢向下移动，直至光纤端面没入敷涂在衬底上的光刻胶中。光纤端面不与衬底直接接触，二者距离通常在10微米～1000微米量级，这个距离下，光刻胶会在毛细作用下均匀地覆盖整个光纤端面。图7示出了在光纤端面均匀地布置光刻胶的示意图，其中衬底23位于光纤端面13正下方，光纤端面13没入敷涂在衬底上的光刻胶18中。光刻胶18采用负性光刻胶，衬底23采用透明的光学玻片衬底。

步骤4：使用激光直写设备的体像素对负性光刻胶进行曝光，形成具有前文所述的连接平台和锥形结构形状的曝光区。仍然参考图7，在曝光时，激光直写设备聚焦光束20从衬底23透射，在负性光刻胶中形成激光直写聚焦点区域，该聚焦点区域曝光形成激光直写的体像素19。体像素19沿着一定轨迹扫描，即可获得具有预定形状的曝光区。例如，当要制作图6所示的连接平台时，就需要控制体像素19按一定轨迹扫描光刻胶18，在其中形成形状与图6一致的曝光区。当要制作图5a所示的锥形结构时，就需要控制体像素19按一定轨迹扫描光刻胶18，在其中形成形状与图5a所示形状一致的曝光区。需要说明的是，制作连接平台和锥形结构时，需要先曝光形成连接平台形状曝光区，再曝光形成锥形结构形状曝光区。

本发明在与光纤端面连接处制作连接平台，这可以通过在与光纤端面连接的光刻胶处进行曝光的方式实现。并且，连接平台设计了导流孔，以便于将锥形结构曝光区域内未曝光的光刻胶洗除。在一个实施例中，采用如图6所示的方形连接平台，采用方形而不是其它形状的主要原因是：激光直写设备采用点到点曝光，对于相同的曝光长度，方形只需要四个点的坐标，而圆形需要40个点的坐标，因此，方形台子的制备速度更快，效率更高。制备该方形台子时，采用对三维图形进行切片处理，然后逐个切片进行扫描曝光的方案，对于每个切片，体像素19的扫描路径可以如图9所示。

另一方面，本发明还需要在连接平台上制作锥形结构。图5a所示的表面带有波纹的中空锥形结构是较为复杂的纳米结构，如果按照激光直写设备惯用方法曝光，即对三维图形进行切片处理，然后逐个切片进行扫描曝光，则工艺难度较大，废品率较高。另外，由于表面带有螺纹，锥形结构切片后，每个切片的曝光点数量都十分巨大，导致加工耗时较长。根据本发明的一个实施例中，发明人巧妙地设计了一条螺旋下降的扫描轨迹。图8示出了该螺旋下降轨迹的示意图，该螺旋下降轨迹的螺圈的半径逐渐缩小直至趋近于零。激光直写体像素沿着该螺旋下降轨迹进行均匀连续地扫描，并且在扫描过程中，扫描完第一个螺圈后，使得沿着所述螺旋下降轨迹扫描至任一位置的激光直写体像素，均与前一螺圈扫描所形成的曝光区域存在交叠，这样就能使上下相邻的两个螺圈对应的曝光区相互拼接，最终形成一表面带有螺旋波纹的中空锥形曝光区。这种制作方法不需要对复杂的三维图形进行切片处理，工艺上易于实现。同时，大大减少了曝光点数量，显著地节省了加工时间。需要说明的是，当需要制备如图5b所示的尖端开孔的锥形结构时，所述螺旋下降轨迹在接近锥形尖端处停止，使得所述表面带有螺旋波纹的中空锥形曝光区的尖端具有未曝光的小孔即可。

步骤5：将曝光之后的光纤1从激光直写加工设备的夹具上取下，对完成所述激光直写扫描曝光的光刻胶进行显影、定影，得到与所需形状的连接平台和表面带有螺纹的锥形结构。一个实施例中，将曝光后样品浸泡在丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)显影液中30分钟，采用异丙醇定影5分钟，未曝光的光刻胶在显影和定影过程中从连接平台的导流孔被溶解、排出。完成显影、定影后，将样品取出自然风干，即可得到一个制作在光纤端面的表面具有螺纹的空心锥形结构。在本发明的一个例子中，正方形台子的边长为21微米，小孔边长4微米，台子高10微米及小孔深度6微米；圆锥底部半径为10微米，高为40微米，圆锥表面的螺旋条纹周期为783纳米。

步骤6：在步骤5所得的空心锥形结构表面制备金属层，得到成品。根据本发明的一个实施例，在步骤5所得的光纤端面上的空心锥形结构表面进行金属蒸镀，或者进行介质/金属的沉积。其中，金属层材料为适合于表面等离激元激发和传播的材料，例如Au或Ag。在介质/金属结构中，金属层的作用在于提供表面自由电子，在入射光的作用下产生表面等离子体激元，介质层一方面可以进一步提高结构的稳定性，另一方面通过介质层的选取，可以进一步调整介质/金属界面特性，从而实现在金属表面传播的等离子体激元的特性调控。介质材料包括但不限于Al₂O₃、Si₃N₄、SiO₂中的一种或多种组合。图10示出了本发明一个光纤探针的成品的实际照片及其局部放大图，其中a部分示出了光纤探针的整体结构，b部分示出了光纤探针的锥形结构及其连接平台的放大图，在图10的例子中，锥形结构的尖端带有开孔。这种光纤探针结合了两种导光原理，能够达到更高的通光效率。

上述实施例中，带有螺旋波纹的空心锥形光纤探针曝光是一次成型的，因此具有良好的结构稳定性，不容易坍塌。而且这种制备方案的可重复性高，有助于提高成品率。同时，该类光纤探针具有如下优点：

1、相比于传统的光纤探针制备方法，锥形探针的锥角、高度和表面结构可以精确设计和控制(精度达到100纳米量级)，锥形区域较小(可以小到10～40微米)，具有易于集成的特点；

2、整个光纤探针的输入输出端都可以通过光纤的另一端实现，因此可以通过内部照明的方式，有效提高信噪比；

3、通过表面等离子体激元的耦合和聚焦，具有高空间分辨率的优点。图11示出了一个圆锥结构顶端不带孔的光纤探针的光信号传输示意图。其中，输入光信号通过光纤芯和连接平台内的通光孔照射到锥形结构的内侧，转变为波导模式光信号，进而在锥形结构外表面的金属膜上形成表面等离子体激元，表面等离子体激元沿着金属膜传播，汇聚到锥形结构顶端，形成表面等离子体激元焦点。图12示出了光纤端面所在平面的光斑尺寸，图13示出了光纤探针焦点(即表面等离子体激元焦点)所在平面的光斑尺寸。可以看出，图11的光纤探针能够显著提高光束的空间分辨率。

4、通过在圆锥外表面引入微结构如螺旋波纹结构并进行金属镀膜，可以提高圆锥对表面等离子体激元的激发和耦合效率，并使其向探针尖端传播和聚焦，从而能够有效提高圆锥的通光效率(可以达到1％量级)。

特别的，在本发明的一些实施例的光纤探针中，其圆锥结构顶端开孔(如图10所示)。对于这类圆锥结构顶端带孔的光纤探针，由于既可以通过表面等离子体激元传播和聚焦光束，又可以从锥形结构顶端的开孔透射光束，因此它能够达到更高的通过效率。例如，当锥形结构顶端的开孔的直径为180纳米时，通过效率可以达到2％以上。

综上所述，本发明提出的光纤探针具有优异的光学性能，可以为设计和制造高空间分辨、高通量和高集成的光学探针提供一种新的可能，能够满足光纤探针在信号光的通过效率、偏振控制以及光的出射方向等方面的控制和应用。

另外，需要说明的是，本发明的光纤探针的锥形结构不限于表面具有螺旋波纹的空心锥形光纤探针，还可以将表面的微结构设计成同心圆形条纹、不对称条纹。本发明的锥形结构的尖端可以带孔，也可以不带孔。本发明的锥形结构也不限于圆锥形，例如也可以是金字塔结构，金字塔结构即底面为方形的锥形结构。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其它的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (9)

1.一种光纤探针，包括具有光滑平整的光纤端面的光纤，制作在光纤端面上的连接平台，以及制作在连接平台上的锥形结构；所述连接平台中心具有与所述光纤的光纤芯适配的通光孔，所述连接平台的侧壁上设置有导流孔，所述锥形结构内部中空，且其底部开口与所述连接平台的通光孔适配，所述锥形结构的表面具有波纹并制备有金属膜。

2.根据权利要求1所述的光纤探针，其特征在于，所述锥形结构的尖端具有小孔或者所述锥形结构的尖端封闭。

3.根据权利要求1所述的光纤探针，其特征在于，所述连接平台和所述锥形结构均基于三维激光直写设备制作。

4.根据权利要求1所述的光纤探针，其特征在于，所述连接平台为方形平台，所述导流孔为长方形通孔。

5.一种权利要求1所述的光纤探针的制备方法，包括下列步骤：

1)在光滑平整的光纤端面均匀地布置光刻胶；

2)用三维激光直写设备对光刻胶进行曝光，得到所述连接平台和所述锥形结构的形状的曝光区；

3)对光刻胶进行显影和定影，将所述连接平台和所述锥形结构内部未曝光区域的光刻胶通过所述导流孔排出，以及在所述锥形结构表面制备金属膜，得到光纤探针。

6.根据权利要求5所述的光纤探针的制备方法，其特征在于，所述步骤1)包括下列子步骤：

11)对光纤的一端进行处理，得到光滑平整的光纤端面；

12)将光纤的经所述步骤11)处理后的那一端固定在三维激光直写设备的样品台，且所述光纤端面朝下；

13)在透明的衬底上涂覆光刻胶，将所述衬底置于所述光纤端面的正下方，移动样品台使所述光纤端面与所述衬底上的光刻胶接触，并在毛细作用下均匀地覆盖整个光纤端面。

7.根据权利要求5所述的光纤探针的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，通过下列步骤得到所述锥形结构形状的曝光区：控制三维激光直写设备的体像素沿螺旋下降轨迹扫描光刻胶，所述螺旋下降轨迹的螺圈的半径逐渐缩小直至趋近于零，使上下相邻的两个螺圈对应的曝光区相互拼接，最终形成一表面带有螺旋波纹的中空锥形曝光区；其中，所述体像素是指激光直写的最小单位。

8.根据权利要求7所述的光纤探针的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述螺旋下降轨迹在接近锥形尖端处停止，使得所述表面带有螺旋波纹的中空锥形曝光区的尖端具有未曝光的小孔。

9.根据权利要求5所述的光纤探针的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，通过下列步骤得到所述连接平台形状的曝光区：对所述连接平台的三维图形进行切片处理，然后用三维激光直写设备的体像素逐个切片进行扫描曝光。