CN107024734A - 一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源及其制备方法 - Google Patents

一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源及其制备方法，该点光源包括普通光纤、微纳光纤锥和三维类锥形纳米结构，微纳光纤锥由普通光纤通过高精度拉锥仪熔融拉锥制得，其前端采用聚焦离子束(FIB)技术刻蚀为三维类锥形纳米结构，金属薄膜利用电子束蒸镀技术镀覆在三维类锥形纳米结构的表面，并利用FIB技术在三维类锥形纳米结构的尖端刻蚀一圆形小孔。本发明能突破衍射极限，形成极小尺寸的亚波长光斑，同时保持较高的光透过率，并且兼具机械强度好、尺寸小巧、易于与其他光纤组件连接等优势，有望发展成新一代的亚波长点光源，对高密度信息存储、高分辨率测量仪器、光刻系统、扫描近场光学显微镜等领域的发展有极大的推动作用。

Description

一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源及其制备方法
技术领域
本发明涉及光纤器件技术领域，具体涉及一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源及其制备方法，能显著减小点光源的光斑尺寸，同时具有较高的透过率，可广泛应用于高密度信息存储、高分辨率测量仪器、光刻系统、扫描近场光学显微镜等领域。
背景技术
近年来，高密度信息存储、高精度加工技术以及高分辨率测量仪器等领域对光斑尺寸小且透过率高的点光源提出了迫切的需求。在传统的光学系统中，点光源的制备采用的是利用透镜系统对空间光进行聚焦的方法，由于衍射极限的限制，这种方法只能将光聚焦到半波长量级，无法实现光斑尺寸在几十纳米量级的点光源。因此如何突破衍射极限，获得尺寸更小的光斑逐渐成为研究热点。超越衍射极限普遍采用的方法有利用超透镜、高折射率对比的波导以及表面等离子体等。其中表面等离子体由于对光有很好的聚焦特性且基于表面等离子体的结构便于微型化，逐渐成为实现高约束点光源的重要手段。微纳光纤由于具有尺寸小、倏逝场大、非线性好以及连接损耗低等诸多优点，近些年来得到了深入研究并被广泛应用于光镊、谐振腔、传感器等多个领域。目前基于光纤结构的点光源一般通过热拉伸法和化学腐蚀法制成，具体为，通过化学溶液腐蚀或熔融拉锥的方法在光纤前端形成一个微纳光纤锥，并在其上镀覆一层金属薄膜，形成表面等离子体增强结构，但是通过这两种方法获得的光纤结构的尖端直径较大，这直接限制了光斑尺寸的进一步缩小，其次，由于热拉伸法和化学腐蚀法均不能精确控制制备的光纤结构的轮廓外形，导致表面等离子体的激发效率很低，从而限制了光的传输效率。因此，发展光斑尺寸小且透过率较高的的亚波长点光源十分必要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源及其制备方法，能突破衍射极限，形成极小尺寸的亚波长光斑，同时相较现有结构的亚波长点光源具有更高的光透过率，并且兼具机械强度好、尺寸小巧、易于与其他光纤组件连接等优势，有望发展成新一代的亚波长点光源，对高密度信息存储、高分辨率测量仪器、光刻系统、扫描近场光学显微镜等领域的发展有极大的推动作用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源，包括普通光纤、微纳光纤锥和三维类锥形纳米结构；所述微纳光纤锥由所述普通光纤通过熔融拉锥方法制得，所述三维类锥形纳米结构位于所述微纳光纤锥前端；所述三维类锥形纳米结构的表面镀覆有金属薄膜，并在所述三维类锥形纳米结构的尖端刻蚀一圆形小孔；所述金属薄膜与所述微纳光纤锥前端的三维类锥形纳米结构形成表面等离子体增强结构。
其中，所述的微纳光纤锥为轮廓外形满足绝热条件的低损耗微纳光纤，其由普通光纤通过高精度拉锥仪熔融拉锥制得。
其中，所述的金属薄膜的厚度为20～80nm。
其中，所述的金属薄膜的材料为金、银或铝。
其中，所述的三维类锥形纳米结构的底部直径为1μm，其三维轮廓外形满足激发表面等离子体的波矢匹配条件，以增加激发表面等离子体的效率。
其中，所述的圆形小孔位于三维类锥形纳米结构的尖端，直径为10～50nm。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述亚波长点光源的制备方法，包括如下步骤：
1)、选取一段普通光纤，并剥除光纤中间约2cm长的涂覆层，得到待拉制样品；
2)、将待拉制样品放入高精度拉锥仪，通过熔融拉锥方法制得外形轮廓满足绝热条件的微纳光纤锥；
3)、在微纳光纤锥表面利用电子束蒸镀技术镀覆一层金属薄膜，避免在聚焦离子束(FIB)加工过程中积累电荷，导致Ga+离子束发生偏移，影响刻蚀准确度；
4)、将步骤3)所得样品固定在纳米操纵仪上，并由FIB技术进行三维纳米结构加工。具体为，从微纳光纤锥直径为1μm处按照由激发表面等离子体的波矢匹配条件确定的外形轮廓向锥尖方向进行刻蚀，刻蚀过程中由纳米操纵仪带动微纳光纤锥进行匀速旋转，从而得到前端为三维类锥形纳米结构的微纳光纤锥；
5)、将微纳光纤锥浸泡在相应金属的腐蚀液中，以去除微纳光纤锥表面的金属薄膜；
6)、在微纳光纤锥前端的三维类锥形纳米结构表面利用电子束蒸镀技术镀覆一层均匀的金属薄膜，形成表面等离子体增强结构；
7)、利用聚焦离子束(FIB)系统在微纳光纤锥前端的三维类锥形纳米结构的尖端刻蚀出一个圆形小孔，完成点光源的制备。
此亚波长点光源的光聚焦原理为：由激光光源发出的光通入普通光纤未被拉锥的一端，光经光纤传播至微纳光纤锥前端的三维类锥形纳米结构处，金属外表面存在的自由电子与光子发生相互作用，形成沿金属外表面传播的表面等离子体波，当表面等离子体波传播到三维类锥形纳米结构的圆形小孔位置时会耦合成光子辐射出来，从而达到约束光斑尺寸、提高透过率的目的。
通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点：
(1)、本发明利用微纳光纤锥制作点光源，具有体积小，机械强度好，便于与其他光纤器件集成等优点，且选择微纳光纤锥可以获得更大的倏逝场能量，从而高效地激发表面等离子体；
(2)、本发明的微纳光纤锥前端的锥形结构是通过FIB技术进行三维纳米加工而得，能对光斑进行二维约束，得到极小尺寸的亚波长点光源；
(3)、本发明的微纳光纤锥前端的类锥形纳米结构的三维轮廓外形满足激发表面等离子体的波矢匹配条件，能大大提高激发表面等离子体的效率，进而使点光源的透过率增加；
附图说明
图1为本发明一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源的结构图；
图2为本发明的微纳光纤锥前端的三维类锥形纳米结构图，其中，图2(a)为立体图，图2(b)为正视图，图2(c)为右视图。
附图标记列示如下：1-普通光纤，2-微纳光纤锥，3-三维类锥形纳米结构，4-金属薄膜，5-圆形小孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如附图所示，一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源，包括普通光纤1，微纳光纤锥2，三维类锥形纳米结构3，金属薄膜4和圆形小孔5。
所述的微纳光纤锥2为轮廓外形满足绝热条件的低损耗微纳光纤，其由普通光纤1通过高精度拉锥仪熔融拉锥制得。
所述的金属薄膜4的厚度为20～80nm。
所述的金属薄膜4的材料为金、银或铝。
所述的三维类锥形纳米结构3的底部直径为1μm，其三维轮廓外形满足波矢匹配条件，以增加表面等离子体的激发效率。
所述的圆形小孔5位于三维类锥形纳米结构3的尖端，直径为10～50nm。
上述的基于微纳光纤锥的亚波长点光源可按如下方法制备：
1)、选取一段普通光纤1，用剥线钳在光纤中间剥除约2cm长的涂覆层，并用酒精擦拭干净，得到待拉制样品。
2)、将待拉制样品放入高精度拉锥仪，通过熔融拉锥方法制得外形轮廓满足绝热条件的微纳光纤锥2。绝热条件指当光纤锥的锥角较小时，光在微纳光纤锥2中传输时可近似认为不引起能量损失，即为低损耗的微纳光纤锥。
3)、在微纳光纤锥2表面利用电子束蒸镀技术镀覆一层金属薄膜，避免在聚焦离子束(FIB)加工过程中积累电荷，导致Ga+离子束发生偏移，影响刻蚀准确度。
4)、将步骤3)所得样品固定在纳米操纵仪上，并由聚焦离子束(FIB)技术进行三维纳米结构加工。具体为，从微纳光纤锥2直径为1μm处按照由激发表面等离子体的波矢匹配条件确定的外形轮廓向锥尖方向进行刻蚀，刻蚀过程中由纳米操纵仪带动微纳光纤锥2进行匀速旋转，以获得能高效激发表面等离子体的三维类锥形纳米结构3。
5)、将微纳光纤锥2浸泡在相应金属的腐蚀液中，以去除微纳光纤锥表面的金属薄膜；
6)、在微纳光纤锥2前端的三维类锥形纳米结构3表面利用电子束蒸镀技术镀覆一层均匀的金属薄膜4，膜厚度为20～80nm，原因在于，对于表面等离子体增强结构，金属薄膜4的厚度过小，趋肤效应不显著，但金属薄膜4厚度过大对光的约束作用会减弱。
7)、利用聚焦离子束(FIB)系统在微纳光纤锥2前端的三维类锥形纳米结构3的尖端刻蚀出一个直径为10～50nm的圆形小孔5，当表面等离子体波传播到此圆形小孔5位置时会耦合成光子辐射出来。
由激光光源发出的光通入普通光纤1未被拉锥的一端，光经光纤传播至微纳光纤锥2前端的三维类锥形纳米结构3处，在金属薄膜4中激发出表面等离子体，形成沿金属外表面传播的表面等离子体波，当表面等离子体波传播到三维类锥形纳米结构3的圆形小孔5位置时会耦合成光子辐射出来，从而达到约束光斑尺寸、提高透过率的目的。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源，其特征在于：包括普通光纤(1)、微纳光纤锥(2)和三维类锥形纳米结构(3)；所述微纳光纤锥(2)由所述普通光纤(1)通过熔融拉锥方法制得，所述三维类锥形纳米结构(3)位于所述微纳光纤锥(2)前端；所述三维类锥形纳米结构(3)的表面镀覆有金属薄膜(4)，并在所述三维类锥形纳米结构(3)的尖端刻蚀一圆形小孔(5)；所述金属薄膜(4)与所述微纳光纤锥(2)前端的三维类锥形纳米结构(3)形成表面等离子体增强结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源，其特征在于：所述的微纳光纤锥为轮廓外形满足绝热条件的低损耗微纳光纤，其由普通光纤通过高精度拉锥仪熔融拉锥制得。
3.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源，其特征在于：所述的金属薄膜的厚度为20～80nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源，其特征在于：所述的金属薄膜的材料为金、银或铝。
5.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源，其特征在于：所述的三维类锥形纳米结构的底部直径为1μm，其三维轮廓外形满足激发表面等离子体的波矢匹配条件，以增加激发表面等离子体的效率。
6.根据权利要求1所述的一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源，其特征在于：所述的圆形小孔位于三维类锥形纳米结构的尖端，直径为10～50nm。
7.一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源的制备方法，该方法能够制备权利要求1至6中任一项所述的一种基于微纳光纤锥的亚波长点光源，其特征在于，包括如下步骤：
1)选取一段普通光纤(1)，剥除光纤中间约2cm长的涂覆层，得到待拉制样品；
2)将待拉制样品放入高精度拉锥仪，通过熔融拉锥方法制得外形轮廓满足绝热条件的微纳光纤锥(2)；
3)在微纳光纤锥(2)表面利用电子束蒸镀技术镀覆一层金属薄膜，避免在聚焦离子束(FIB)加工过程中积累正电荷，导致Ga+离子束发生偏移，影响刻蚀准确度；
4)将镀覆金属薄膜的微纳光纤锥(2)固定在纳米操纵仪上，并由FIB技术进行三维纳米结构加工，具体为，从微纳光纤锥(2)直径为1μm处按照由激发表面等离子体的波矢匹配条件确定的外形轮廓向锥尖方向进行刻蚀，刻蚀过程中由纳米操纵仪带动微纳光纤锥(2)进行匀速旋转，从而得到前端为三维类锥形纳米结构(3)的微纳光纤锥(2)；
5)将微纳光纤锥(2)浸泡在相应金属的腐蚀液中，以去除微纳光纤锥(2)表面的金属薄膜；
6)在微纳光纤锥(2)前端的三维类锥形纳米结构(3)表面利用电子束蒸镀技术镀覆一层均匀的金属薄膜(4)，形成表面等离子体增强结构；
7)利用聚焦离子束(FIB)系统在微纳光纤锥(2)前端的三维类锥形纳米结构(3)的尖端刻蚀出一个圆形小孔(5)，完成点光源的制备。
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