CN106199077A - 一种扫描近场光学显微镜装置及新型光纤探针结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及近场光学探测的光学传感和成像技术领域，公开了一种扫描近场光学显微镜装置及新型光纤探针结构，包括：光学照明系统(1)、探针扫描控制系统(2)、检测系统(3)和光纤探针(4)，所述光纤探针(4)的端面设有金属膜及金属颗粒，所述金属颗粒加工在所述光纤探针(4)的端面的金属膜上。本发明提供的一种扫描近场光学显微镜装置及光纤探针结构，解决了传统孔径型SNOM对光场横向分量敏感而不能对光场纵向分量进行有效检测的缺陷，保持所测样品信息的完整性，提高了信号收集效率。

Description

一种扫描近场光学显微镜装置及新型光纤探针结构
技术领域
本发明涉及近场光学探测的光学传感和成像技术领域，尤其涉及一种扫描近场光学显微镜装置及光纤探针结构。
背景技术
扫描近场光学显微镜(Scanning near field optical microscope，SNOM)作为SPM(Scanning Probe Microscope，SPM)的一种，通过针尖将束缚在物体表面的隐失场信息转换成可以在远场探测的传播场。应用于样品形貌探测和特殊光场测量方面。SNOM采用的光纤探针决定了扫描近场光学显微镜的成像完整性以及分辨率和光信号收集效率。然而理论和实验都表明，目前通用的孔径型SNOM光纤探针对电场的横向分量具有更高的耦合灵敏度，而无法对待测光场的纵向分量进行有效检测。这对样品的近场光学成像信息的完整性测量造成了损失，同时也降低了系统信号的转化和收集能力。另外，背景噪声干扰造成的低信噪比问题仍然是SNOM成像一个不可忽视的问题。
首先，束缚在样品表面的隐失场具有矢量性，而且样品的形态与隐失场的横向或纵向分量的比重有很高的相关性。由于光纤本身对光场的偏振具有选择性，横向光场的耦合效率远大于纵向场，孔径型SNOM所用的光纤探针也不可避免，对所测样品表面的横向场更加敏感。而很多情况下，样品的纵向场要明显强于横向场，这样在使用SNOM对样品进行测量时，将会损失大部分光场信息，一方面造成成像的不完整性，另一方面检测信号比较困难。
其次，除了上述纵向场耦合效率低的问题，导致目前广泛使用的SNOM的信号收集效率偏低，系统扫描时间长的原因，还有光信号耦合进探针的效率本身就很低，一般为10-6-10-4。现有技术中，通过增加孔径尺寸的方式提高耦合效率，但会引入很强的背景光信号，而且成像系统的分辨率会降低很多。散射型探针是利用探针将束缚在样品表面的隐失场转换成传播的散射光信号，其散射光具有很广的空间角度分布，信号的高效率收集非常困难，另外接收散射光信号通常所用物镜的工作距离较长，这些因素共同限制了信号光的收集效率。
近场光学显微技术面临的另外一个关键问题是如何将由探针产生的微弱信号光从背景光中分离出来。特别是如需检测样品产生的瑞利散射光信号时，此类信号光与入射光在光谱和空间上都重叠的情况。对于孔径型SNOM，光纤探头不仅能耦合样品表面的隐失场，对入射照明光也有一定的耦合响应，因而由光纤探头检测的光信号中必然会有背景光的存在，系统的信噪比因此降低。
发明内容
本发明提供一种扫描近场光学显微镜装置及新型光纤探针结构，解决现有技术中扫描近场光学显微镜纵向场耦合效率低，导致目信号收集效率偏低，系统扫描时间长的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种扫描近场光学显微镜装置，包括：光学照明系统1、探针扫描控制系统2、检测系统3和光纤探针4，其中，所述光学照明系统1包括：激发光源、第一分束器5、高数值孔径物镜6和扫描台7；探针扫描控制系统2包括：反馈系统8、锁相放大系统9、计算机10，所述反馈系统8用于控制连接的所述光纤探针4，所述锁相放大系统9用于连接所述检测系统3，所述计算机10控制连接所述反馈系统8；检测系统3包括：光谱分析仪11、光电倍增管12、第二分束器13、CCD14；所述第二分束器13连接所述的光谱分析仪11、光电倍增管12；所述的光谱分析仪11连接所述CCD14；所述的CCD14和光电倍增管12连接所述的计算机10，所述光纤探针4的端面设有金属膜及金属颗粒，所述金属颗粒加工在所述光纤探针4的端面的金属膜上。
一种新型的光纤探针结构，包括：准备光纤，以所述光纤的一端作为光纤探针；所述光纤探针的端面上镀上金属膜；利用实验手段将金属颗粒加工在所述金属膜上，所述实验手段包括电子束刻蚀、自组装、光镊。
本发明实施例提供的一种扫描近场光学显微镜装置及新型光纤探针结构，解决了传统孔径型SNOM对光场横向分量敏感而不能对光场纵向分量进行有效检测的缺陷，保持所测样品信息的完整性，提高了信号收集效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种扫描近场光学显微镜装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的光纤探针的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
首先介绍表面等离子体耦合定向发射的一般原理，如下：
位于光滑金属膜表面的纳米辐射体在表面等离子体(Surface Pasom,SP)作用下，其能量能有效透过金属膜，并在SP激发角度实现再辐射，这种表面等离子体定向激发现象称为表面等离子体耦合发射(Surface Plasmon Coupled Emission，SPCE)。下面基于表面等离子体耦合定向发射的一般原理介绍本发明实施例提供的一种扫描近场光学显微镜装置，如图1所示，包括：光学照明系统1、探针扫描控制系统2、检测系统3和光纤探针4，其中，所述光学照明系统1包括：激发光源、第一分束器5、高数值孔径物镜6和扫描台7；探针扫描控制系统2包括：反馈系统8、锁相放大系统9、计算机10，所述反馈系统8用于控制连接的所述光纤探针4，所述锁相放大系统9用于连接所述检测系统3，所述计算机10控制连接所述反馈系统8；检测系统3包括：光谱分析仪11、光电倍增管12、第二分束器13、CCD14；所述第二分束器13连接所述的光谱分析仪11、光电倍增管12；所述的光谱分析仪11连接所述CCD14；所述的CCD14和光电倍增管12连接所述的计算机10。
本发明实施例提供的一种新型光纤探针结构如图2所示，包括：准备光纤，以所述光纤的一端作为光纤探针；所述光纤探针的端面上镀上金属膜；利用实验手段将金属颗粒加工在所述金属膜上，所述实验手段包括电子束刻蚀、自组装、光镊。
对于本发明实施例中光纤探针4的结构，当入射光为横向偏振时，金属颗粒内的自由电子由于横向外电场的作用，形成横向震荡的具有局域表面等离子体特性的偶极子。其两侧的自由电子与金属膜表面的自由电子相互作用，相应地形成横向震荡的间隙模式；而对于纵向偏振入射光，金属颗粒内电子形成纵向震荡的偶极子，其位于下表面的自由电子与金属膜表面电子相互作用，形成纵向震荡的间隙模式。由于更高的电子密度以及更短的电子间平均作用距离，纵向的间隙模式拥有更强的电子间库伦作用力。这就导致由入射光纵向电场激发的耦合共振模式的特征谱线相对于横向模式有一定的红移。基于这个原理，耦合共振谱线在不同偏振下会出现的能级劈裂现象。利用这种能级劈裂现象，解决传统SNOM只对光场横向分量敏感，不能对光场纵向分量进行检测的缺陷。
金属颗粒与样品表面作用产生的光信号通过SPCE效应，透过金属膜后耦合进入光纤纤芯。改变传统SNOM光纤探针直接耦合光信号的模式。SPCE信号是散射光中满足SP波矢匹配条件的成分通过金属膜表面SP耦合到金属膜背面的辐射场。其发射角度由SP的波矢匹配条件而定，由于SP的波矢大于自由空间中入射光的波矢，散射光的发射角度始终大于系统的全内反射角。例如：对于532nm入射光而言，假定纤芯折射率为1.515，由金属颗粒产生的散射光经过金属膜后实现再发射的角度为44.2°，大于系统的全内反射角度θTIR＝arcsin(1/1.515)＝41.3°，由此光信号完全与背景光分离开来，提高了整个系统的信噪比。
另外，光纤由于其较高的纤芯折射率，光信号透过金属膜后直接与纤芯耦合，大大减少了光信号的损失。同时该探针利用金属膜的SPCE效应,使原本发散的光信号在某个固定角度实现定向激发，其角度固定，且与背景光分离开来，一方面大大降低背景噪声的影响；另一方面有助于提升系统的信号收集能力。两者共同作用有效地提高了系统检测的信噪比，提升成像速度。
以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种扫描近场光学显微镜装置，其特征在于，包括：光学照明系统(1)、探针扫描控制系统(2)、检测系统(3)和光纤探针(4)，其中，所述光学照明系统(1)包括：激发光源、第一分束器(5)、高数值孔径物镜(6)和扫描台(7)；探针扫描控制系统(2)包括：反馈系统(8)、锁相放大系统(9)、计算机(10)，所述反馈系统(8)用于控制连接的所述光纤探针(4)，所述锁相放大系统(9)用于连接所述检测系统(3)，所述计算机(10)控制连接所述反馈系统(8)；检测系统(3)包括：光谱分析仪(11)、光电倍增管(12)、第二分束器(13)、CCD(14)；所述第二分束器(13)连接所述的光谱分析仪(11)、光电倍增管(12)；所述的光谱分析仪(11)连接所述CCD(14)；所述的CCD(14)和光电倍增管(12)连接所述的计算机(10)，所述光纤探针(4)的端面设有金属膜及金属颗粒，所述金属颗粒加工在所述光纤探针(4)的端面的金属膜上。
2.一种新型光纤探针结构，其特征在于，包括：准备光纤，以所述光纤的一端作为光纤探针；所述光纤探针的端面上镀上金属膜；利用实验手段将金属颗粒加工在所述金属膜上，所述实验手段包括电子束刻蚀、自组装、光镊。
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