CN108614130B - 一种增强透射的纳米环形近场光学探针及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强透射的纳米环形近场光学探针及其制备方法，该探针由光纤纤芯、纳米环形结构、金属膜及中心增强透射孔构成，纳米环形结构分布在光纤纤芯平滑端头的二氧化硅与金属膜的界面处，能使激发光转化成等离激元，聚焦到中心增强透射孔中，并且产生纳米尺度及具备高度方向性的增强透射光。同时通过改变和优化环形结构位置与宽度、金属膜材料及厚度，中心增强透射孔尺寸大小等，皆可以实现纳米聚焦的调控和优化。本发明可用作扫描近场光学显微镜、原子力显微镜和针尖增强拉曼光谱仪的探针，光学探针形成的高方向性纳米尺度增强透射近场光可以用作纳米光刻和亚波长光通信的光源，并且在纳米传感、纳米成像等诸多领域具有重要的应用价值。

Description

一种增强透射的纳米环形近场光学探针及其制备方法

技术领域

本发明属于光学和光电技术领域，涉及微纳米光学器件、表面等离激元激发和纳米聚焦，特别是涉及一种高方向性、高空间分辨率和高灵敏度的具备增强透射性能的纳米环形近场光学探针及其制备方法。

背景技术

由于光的衍射极限，传统光学方法无法使光能聚集到亚波长以下尺度，无法收集精细结构信息，也无法使光有效透过直径为半波长尺度的孔。因此，如何解决上述问题，成了现代光学领域关键的基础科学和技术问题。近年来光子学、等离激元学和纳米光学等方面的发展，使得高效聚焦光能至亚波长以下尺寸以及收集精细结构信息成为可能。利用特殊的纳米金属结构，可以将激发光转化为等离激元，并且耦合成远小于波长尺度的光斑模式，受二次激发产生的纳米近场光源照射，被照射材料表面精细结构信息会由近场隐失波转变成行波，可在远场进行探测。国内外已经提出了多种纳米结构引导产生等离激元，实现超分辨，主要包括纳米金属颗粒膜、纳米金属柱、纳米金属球、纳米金属锥、纳米针尖、纳米金属缺陷和纳米金属间隙等。

由于上述结构多数用于散射激发模式，激发光源作为背景光，对近场光刻及近场超分辨成像皆产生巨大的噪声污染；并且，普通细孔径光纤光源又无法突破衍射极限，从而导致激发光无法高效透射；另外，多数纳米金属间隙结构又无法产生高度方向性的出射光；如此之多的问题，皆制约了近场光刻及近场超分辨成像等方向的发展。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增强透射的纳米环形近场光学探针及其制备方法，由此解决透射式纳米探针通光量少和方向性差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种增强透射的纳米环形近场光学探针，包括：光纤纤芯、纳米环形结构、金属膜及中心增强透射孔；

所述光纤纤芯的锥形针尖的顶端为所述光纤纤芯的端面，在所述光纤纤芯的端面上刻蚀有所述纳米环形结构，在所述纳米环形结构上镀有所述金属膜，所述金属膜延续所述纳米环形结构的环形拓扑结构，所述中心增强透射孔在所述纳米环形结构的中心，且贯穿所述金属膜，在所述纳米环形结构的中心刻蚀有圆柱形凹陷。

优选地，所述纳米环形结构具有n层，其中，最内层环形结构的内圆半径为R_{1_in}，外圆半径为R_{1_out}，所形成的环形凹槽深度为h₁，往外第二层环形结构的内圆半径为R_{2_in}，外圆半径为R_{2_out}，所形成的环形凹槽深度为h₂，依次往外第n层内圆半径为R_{n_in}，外圆半径为R_{n_out}，所形成的环形凹槽深度为h_n，其中，n为正整数。

优选地，在所述纳米环形结构上镀有m层金属膜，且从贴近所述光纤纤芯的端面起各层金属膜的层数分别为1，2，3，...，m，其中，m为正整数。

优选地，所述光纤纤芯的端面直径d_in为十微米级别，且d_in＞4×R_{n_out}。

优选地，所述中心增强透射孔的半径R₀满足R₀＞2R_s，深度h₀满足h₀＝t₁+t₂+...+t_m，其中，R_s为所述圆柱形凹陷的半径，t₁,t₂,...,t_m为光纤纤芯端面上的m层金属膜各膜层对应的膜厚度。

按照本发明的另一方面，提供了一种增强透射的纳米环形近场光学探针的制备方法，包括：

(1)将光纤纤芯通过加热拉伸法形成锥形针尖，其中，所述锥形针尖的顶端为所述光纤纤芯的端面；

(2)在所述光纤纤芯的端面均匀涂抹光刻胶，并且把环形纳米图案曝光至所述光刻胶上，使所述光刻胶变性；

(3)将带有变性光刻胶的光纤纤芯端面浸泡在显影液中，然后再放入去离子水中定影，去除部分光刻胶后吹干；

(4)将吹干后的光纤纤芯粘附在硅片上，使所述光纤纤芯的端面竖直向上后进行刻蚀；

(5)将刻蚀后的光纤纤芯端面先后浸泡在浓硫酸和水中后，再先后放入异丙醇和水中后吹干，得到刻蚀而成的石英纳米环形结构及纳米环形结构中心处的圆柱形凹陷；

(6)在步骤(5)得到的石英纳米环形结构上镀上m层金属膜，其中，各金属膜层延续步骤(5)所得的石英纳米环形结构相对应的拓扑结构，其中，m为正整数；

(7)在步骤(6)得到的光纤纤芯端面的石英纳米环形结构的中心对所有金属膜层进行离子束聚焦刻蚀，刻蚀出中心增强透射孔；

(8)将步骤(7)得到的光纤纤芯除光纤纤芯端面处的其它部分进行包层处理，得到纳米环形近场光学探针。

优选地，所述纳米环形结构具有n层，其中，最内层环形结构的内圆半径为R_{1_in}，外圆半径为R_{1_out}，所形成的环形凹槽深度为h₁，往外第二层环形结构的内圆半径为R_{2_in}，外圆半径为R_{2_out}，所形成的环形凹槽深度为h₂，依次往外第n层内圆半径为R_{n_in}，外圆半径为R_{n_out}，所形成的环形凹槽深度为h_n，其中，n为正整数。

优选地，在步骤(1)中得到的光纤纤芯的端面直径d_in为十微米级别，且d_in＞4×R_{n_out}。

优选地，在步骤(7)所得的中心增强透射孔的半径R₀满足R₀＞2R_s，深度h₀满足h₀＝t₁+t₂+...+t_m，其中，R_s为所述圆柱形凹陷的半径，t₁,t₂,...,t_m为光纤纤芯端面上的m层金属膜各膜层对应的膜厚度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明解决了传统锥形探针透射率低的问题，大的锥形端面直径d_in能够防止激发光由于接近衍射极限限制而产生大量损耗，而纳米环形结构能够将光纤纤芯端面处的激发光转化为等离激元，并且聚焦到中心增强透射孔后产生二次光，形成高度方向性超衍射极限的透射增强光。同时通过改变和优化环形结构位置与宽度、金属膜材料及厚度，还有中心增强透射孔尺寸大小等，皆可以实现纳米聚焦的调控和优化。

(2)本发明为扫描近场显微镜、原子力显微镜和针尖增强拉曼光谱仪提供了更高空间分辨和更高灵敏度的探针，光学探针形成的强纳米聚焦可作为纳米光刻和亚波长光通讯的光源。

(3)在纳米传感、纳米成像、纳米光刻和亚波长光通信等诸多领域有重要应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种纳米环形近场光学探针针尖的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种纳米环形结构侧视示意图；

图3是本发明实施例提供的一种纳米环形结构俯视示意图；

图4是本发明实施例提供的一种激发光与输出光的z向光谱图，其中实线为激发光光谱曲线，虚线为输出光光谱曲线；

图5是本发明实施例提供的一种输出光z向光强相对于激发光z向光强的增强因子Q随波长的变化曲线；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-光纤纤芯，2-锥形针尖，3-光纤纤芯端面，4由纳米环形结构、金属膜和中心增强透射孔组成，5-纳米环形结构，6-圆柱形凹陷，7-中心增强透射孔，8由所有金属膜层组合而成。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的一个方面，提供了一种增强透射的纳米环形近场光学探针，包括：光纤纤芯、纳米环形结构、金属膜及中心增强透射孔；

光纤纤芯的锥形针尖的顶端为光纤纤芯的端面，在光纤纤芯的端面上刻蚀有纳米环形结构，在纳米环形结构上镀有金属膜，金属膜延续纳米环形结构的环形拓扑结构，中心增强透射孔在纳米环形结构的中心，且贯穿所述金属膜，在纳米环形结构的中心刻蚀有圆柱形凹陷。

其中，光纤纤芯的折射率为n_f，介电常数为ε_f，光纤纤芯的端面为激发光的入射端，端面直径为d_in，圆柱形凹陷半径为R_s，深度为h_s。

其中，作为一种可选的实施方式，光纤纤芯可以采用加热拉伸法形成锥形针尖。

作为一种可选的实施方式，纳米环形结构具有n层，其中，最内层环形结构的内圆半径为R_{1_in}，外圆半径为R_{1_out}，所形成的环形凹槽深度为h₁，往外第二层环形结构的内圆半径为R_{2_in}，外圆半径为R_{2_out}，所形成的环形凹槽深度为h₂，依次往外第n层内圆半径为R_{n_in}，外圆半径为R_{n_out}，所形成的环形凹槽深度为h_n，其中，n为正整数，环形纳米结构的层数及各层对应的內圆半径、外圆半径和环形凹槽深度可以根据实际需要确定。

作为一种可选的实施方式，在纳米环形结构上镀有m层金属膜，且从贴近光纤纤芯的端面起各层金属膜的层数分别为1，2，3，...，m，其对应的金属膜折射率为n₁,n₂,n₃,...,n_m，对应金属膜厚度为t₁,t₂,t₃,...,t_m，其中，m为正整数。

其中，金属膜的层数及各层金属膜对应的折射率和厚度可以根据实际需要进行确定。

作为一种可选的实施方式，光纤纤芯的端面直径d_in为十微米级别，且d_in＞4×R_{n_out}。

作为一种可选的实施方式，中心增强透射孔的半径R₀满足R₀＞2R_s，深度h₀满足h₀＝t₁+t₂+...+t_m。

在本发明的另一方面，提供了一种增强透射的纳米环形近场光学探针的制备方法，包括：

(1)制备光纤纤芯；

作为一种可选的实施方式，优选为石英光纤纤芯。

(2)将光纤纤芯通过加热拉伸法形成锥形针尖，其中，锥形针尖的顶端为光纤纤芯的端面；

(3)在光纤纤芯的端面均匀涂抹光刻胶，并且把环形纳米图案曝光至所述光刻胶上，使所述光刻胶变性；

其中，作为一种可选的实施方式，可以通过电子束光刻机(electron beamlithography，EBL)把环形纳米图案曝光至光刻胶上，使光刻胶变性。

(4)将带有变性光刻胶的光纤纤芯端面浸泡在显影液中，然后再放入去离子水中定影，去除部分光刻胶后吹干；

作为一种可选的实施方式，可以通过氮气风枪吹干。

(5)将吹干后的光纤纤芯粘附在硅片上，使光纤纤芯的端面竖直向上后进行刻蚀；

作为一种可选的实施方式，可以通过感应反应耦合等离子体(InductivelyCoupled Plasma，ICP)刻蚀机进行刻蚀。

(6)将刻蚀后的光纤纤芯端面先后浸泡在浓硫酸和水中后，进行超声波清洗，再先后放入异丙醇和水中后吹干，得到刻蚀而成的石英纳米环形结构及纳米环形结构中心处的圆柱形凹陷；

(7)在步骤(6)得到的石英纳米环形结构上镀上m层金属膜，其中，各金属膜层延续步骤(6)所得的石英纳米环形结构相对应的拓扑结构，其中，m为正整数；

(8)在步骤(7)得到的光纤纤芯端面的石英纳米环形结构的中心对所有金属膜层进行离子束聚焦刻蚀，刻蚀出中心增强透射孔，其中，中心增强透射孔的半径为R₀，通孔深度为h₀；

作为一种可选的实施方式，可以通过聚焦离子束系统(Focused Ion beam，FIB)对步骤(7)得到的光纤纤芯端面的纳米环形结构进行刻蚀。

(9)将步骤(8)得到的光纤纤芯除光纤纤芯端面处的其它部分进行包层处理，得到纳米环形近场光学探针。

以下以制备短(S)波段增强透射的近场光学探针为例对本发明进行详细说明。

如图1所示，使用加热拉伸法拉伸光纤纤芯并切端面后得到锥形针尖，在切端面时需要将断面直径d_in确定为50μm，并且保证端面平整度，不要求高圆度。产生的锥形针尖锥角对出射光场增强影响不大，在优化计算和制作时可以不考虑，只需要保证端面的尺寸与平整度。

在光纤纤芯端面均匀涂覆正性光刻胶后烘干，放入电子束光刻系统中，利用EBL将目标图案曝光到光刻胶上，其中目标图案需要根据目标纳米环形结构反向推算出。

如图2所示，目标纳米环形结构上半部分为光纤纤芯端面，材料为二氧化硅，下半部分为金属膜层，中心处具有增强透射孔。

如图3所示，目标纳米环形结构中心增强透射孔半径R₀为125nm，第一个环形结构的内圆半径R_{1_in}为375nm，外圆半径R_{1_out}为625nm，第二个环形结构的内圆半径R_{2_in}为875nm，外圆半径R_{2_out}为1125nm，第三个环形结构的内圆半径R_{3_in}为1375nm，外圆半径R_{3_out}为1625nm，三个环形结构的厚度满足条件h₁＝h₂＝h₃＝60nm。

根据目标纳米环形结构，考虑到使用正性光刻胶进行曝光，需要对刻蚀进行尺寸补偿，因此反向推算出中心凹陷对应目标图案中的中心圆半径为50nm，第一个环形结构的内圆半径为380nm，外圆半径为620nm，第二个环形结构的内圆半径为880nm，外圆半径为1120nm，第三个环形结构的内圆半径为1380nm，外圆半径为1620nm。将该目标图案导入EBL中，并对光刻胶进行曝光。

将曝光后的光纤纤芯放入显影液中显影，然后使用去离子水定影，夹起后使用氮气枪低速吹干。

使用有机胶将光纤纤芯粘附在硅片上，并使光纤纤芯端面竖直向上，放入ICP刻蚀机中进行刻蚀，直至刻蚀深度达到60nm。

取出光纤纤芯，将光纤纤芯端面浸泡入浓硫酸中，浸泡10min后使用去离子水冲洗干净，然后将光纤纤芯放入超声波清洗装置中清洗5min。接着夹起放入到异丙醇中浸泡10min后用去离子水冲洗干净，再用氮气枪高速吹干，在光纤纤芯端面处可以得到二氧化硅纳米结构。

将光纤纤芯放入到镀膜机中，并使蒸镀方向垂直于光纤纤芯端面，先镀上厚度为10nm的铬膜，然后镀上厚度为150nm的金膜，金属膜延伸出表面拓扑结构。

将光纤纤芯放入离子束系统中，在中心刻蚀出中心增强透射孔，该孔的半径R₀＝125nm，深度h₀＝160nm，纳米环形结构中心处的圆柱形凹陷具有圆柱形金属残留，该残留金属结构尺寸与圆柱形凹陷相同，可以提高光输出效率。

将光纤纤芯进行包层处理，包层延伸至锥形针尖边缘处，只有光纤纤芯端面处裸露，用于有效收集近场光，或者用作纳米光源时输出高强度纳米近场光。

如图4所示，将测试光耦合到光纤纤芯中，然后测量中心增强透射孔处输出的近场光强，将所测得光强与测试光光强进行对比，由对比图4可知：该光学探针z向光谱在890nm波段有高倍率窄带增强峰，半高全宽为13nm；并且在1441.4nm处具备次级增强峰，半高全宽为49nm。

如图5所示，通过计算输出光强与输入光强的比值(增强因子Q)，可以检测出中心增强透射孔处S波段的增强效率，从图5可以看出该光学探针z向光谱在1493.9nm波段处具备最大增强因子Q，并且Q值为37047。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种增强透射的纳米环形近场光学探针的制备方法，其特征在于，包括：

(1)将光纤纤芯通过加热拉伸法形成锥形针尖，其中，所述锥形针尖的顶端为所述光纤纤芯的端面；

(2)在所述光纤纤芯的端面均匀涂抹光刻胶，并且把环形纳米图案曝光至所述光刻胶上，使所述光刻胶变性；

(3)将带有变性光刻胶的光纤纤芯端面浸泡在显影液中，然后再放入去离子水中定影，去除部分光刻胶后吹干；

(4)将吹干后的光纤纤芯粘附在硅片上，使所述光纤纤芯的端面竖直向上后进行刻蚀；

(5)将刻蚀后的光纤纤芯端面先后浸泡在浓硫酸和水中后，再先后放入异丙醇和水中后吹干，得到刻蚀而成的石英纳米环形结构及纳米环形结构中心处的圆柱形凹陷；

(6)在步骤(5)得到的石英纳米环形结构上镀上m层金属膜，其中，各金属膜层延续步骤(5)所得的石英纳米环形结构相对应的拓扑结构，其中，m为正整数；

(7)在步骤(6)得到的光纤纤芯端面的石英纳米环形结构的中心对所有金属膜层进行离子束聚焦刻蚀，刻蚀出中心增强透射孔；

(8)将步骤(7)得到的光纤纤芯除光纤纤芯端面处的其它部分进行包层处理，得到纳米环形近场光学探针。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米环形结构具有n层，其中，最内层环形结构的内圆半径为R_{1_in}，外圆半径为R_{1_out}，所形成的环形凹槽深度为h₁，往外第二层环形结构的内圆半径为R_{2_in}，外圆半径为R_{2_out}，所形成的环形凹槽深度为h₂，依次往外第n层内圆半径为R_{n_in}，外圆半径为R_{n_out}，所形成的环形凹槽深度为h_n，其中，n为正整数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中得到的光纤纤芯的端面直径d_in为十微米级别，且d_in＞4×R_{n_out}。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(7)所得的中心增强透射孔的半径R₀满足R₀＞2R_s，深度h₀满足h₀＝t₁+t₂+...+t_m，其中，R_s为所述圆柱形凹陷的半径，t₁,t₂,...,t_m为光纤纤芯端面上的m层金属膜各膜层对应的膜厚度。