CN109374928A - 一种基于等离聚焦的近场扫描探针 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于等离聚焦的近场扫描探针，包括光纤和波导结构，所述的光纤中央设有贯穿其长度方向的通光孔，光纤端面设有波导结构，所述的波导结构包括支架和聚焦结构，所述的支架位于光纤和聚焦结构之间，所述的聚焦结构采用锥体结构，并覆盖光纤端面的通光孔，聚焦结构由部分球体基座和锥体组成，球体基座的一端与光纤端面连接，另一端与锥体的侧面相切，锥体的另一侧面与光纤的端面倾斜连接，其尖端超出光纤的侧面。本发明采用光刻方式加工尖端聚焦结构，加工方式灵活，精度高，时长极短，成本低，方便大批量生产制备，可以通过调节加工过程中的光胶聚合的激光功率及扫描速率，控制尖端结构的弹性系数及模量，从而适用于多类型样本检测。

Description

一种基于等离聚焦的近场扫描探针
技术领域
本发明涉及一种扫描探针，尤其涉及一种基于等离聚焦的近场扫描探针。
背景技术
表面等离子体是当光入射到金属表面所激发的一种沿着金属表面传播的电子疏密波，其波长远小于可见光的波长，因此将传播的能量汇聚在超越衍射极限的纳米级尺度，因此通过研究表面等离子体波导，定向传播并聚焦能量，是物理光学的一个重要课题。表面等离子体聚焦的原理是基于金属表面自由电子对特定波段的光能的选择性吸收，因此具有特定的吸收-散射光谱，由于这种吸收对于外界环境极为敏感，所以相应的光谱分析可以实现针对外界环境的实时传感，被广泛应用于生物化学反应监测，食品检测，环境保护等诸多领域。而对于聚焦功能而言，由于能量被聚焦在小范围内，所以能够在聚焦点产生较高的电场密度，通过与脉冲激光结合，可以诱导材料的非线性特性，从而应用于非线性光学研究领域。
近场扫描技术则是力图将显微范围拓展至光波长约十分之一的近场纳米尺度，与传统以光信号为载体的光学显微术不同的是，近场扫描技术以实体探针为载体，能够以纳米级的尺度逼真地还原样品信息。此外，利用探针作为激发源去刺激样品，则可以进一步获取待测样品的物理化学参数。涉及的领域包括表面形貌的原子力扫描，近场光学的探测，针尖增强的拉曼技术。以针尖增强拉曼技术为例，它是对样品表面与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到样品的分子振动与转动方面的信息，能够非常便捷地用于材料成分分析。
目前采用的近场扫描技术采用的探针是以拉锥型的光纤或者尖端镶嵌微球的形式作为载体，制备方式受传统加工工艺的限制，因此在等离聚焦波导设计的优化上没有长足的进步，结构的固定导致探针的模量或者弹性系数固化，无法适应多种材质探测的需求。同样的，由于加工工艺的制约，其整体结构并不能达到比较好的聚焦效果，使得探针的聚焦增强能力受限。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于等离聚焦的近场扫描探针，提高了光能聚焦效率，增强针尖聚焦强度，解决了现有技术中探针能量聚焦能力不足，增强能力受限的问题。
技术方案：本发明包括光纤和波导结构，所述的光纤中央设有贯穿其长度方向的通光孔，光纤端面设有波导结构，所述的波导结构包括支架和聚焦结构，所述的支架位于光纤和聚焦结构之间，所述的聚焦结构采用锥体结构，并覆盖光纤端面的通光孔。
所述的聚焦结构由部分球体基座和锥体组成，所述球体基座的一端与光纤端面连接，另一端与锥体的侧面相切，锥体的另一侧面与光纤的端面倾斜连接，其尖端超出光纤的侧面。
所述的聚焦结构采用光刻方法制备，并采用光固化胶水固化于光纤端面。
所述的聚焦结构表面镀有金属层，以具有等离激元效应。
所述金属层的厚度为30nm～200nm。
所述聚焦结构的光能量导入方式包括光纤内部传导和外部照明。
所述的光纤采用单模或多模光纤。
所述光纤的外径为125μm～800μm。
所述光纤的端面作抛光处理。
所述的支架采用圆柱体结构，用以稳定整体结构。
工作原理：光从光纤导入，从具有聚焦结构的光纤端面射出，光束在聚焦结构内多次发生反射，从而诱导表面等离子体波传导至最尖端，形成纳米级的高密度电磁热点，该探针与扫描探针显微镜集成后，通过扫描样品，电磁热点与待测样品进行接触从而激发光学信号，进而对纳米尺度的表面化学成分进行鉴别。
有益效果：本发明采用光刻方式加工尖端聚焦结构，加工方式灵活，精度高，时长极短，成本低，方便大批量生产制备，可以通过调节加工过程中的光胶聚合的激光功率及激光扫描速度，控制尖端结构的弹性系数及模量，从而适用于多类型样本检测；本发明的探针在检测单点近场信号的同时，能够采集该处的高度形貌信息，实现原子力显微成像的功能；本发明的聚集结构在光学传导路径上进行优化，能优化聚焦的增强因子，从而提升探针激发近场光信号的效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括光纤1和三维微纳波导结构，光纤1的端面需作抛光处理，光纤1中央设有贯穿其长度方向的通光孔2，光纤1为单模或多模光纤，其外径范围为125μm～800μm。光纤1端面设有用于等离激元聚焦的三维微纳波导结构，该波导结构包括支架3和聚焦结构4，支架3垂直设于光纤1和聚焦结构4之间，聚焦结构4采用锥体结构，并覆盖光纤1端面的通光孔2。聚焦结构4采用光刻方法制备，并固化于光纤1端面，使用材料为光固化胶水，包括正性和负性光刻胶。制备好的聚焦结构4表面镀有30nm～200nm的金属层，金或银，以具有等离激元效应。支架3由圆柱体构成，用以稳定整体结构。
聚焦结构4由部分球体基座和锥体组成，球体基座的一端与光纤1端面连接，另一端与锥体的侧面相切，锥体的另一侧面与光纤1的端面倾斜连接，整体结构倾斜超出光纤1的端面。聚焦结构4的球体基座覆盖光纤1的通光孔2，球体半径为30μm，锥体高度为70μm，其相对于光纤1端面平面的倾斜角度为15°～75°，根据具体实施的光纤种类可修改相应尺寸。
聚焦结构4的光能量导入方式包含光纤内部传导和外部照明两种模式，应用场景包括但不限于原子力表面纳米形貌扫描，近场光学探测，针尖增强拉曼检测。对于内部传导，光从光纤1中央的通光孔2导入，从具有聚焦结构4的光纤1端面射出，光束在聚焦结构4内多次发生反射，由此在结构表面诱导表面等离子体波传导至最尖端，形成纳米级高密度电磁热点；对于外部照明，则直接用激光辐照聚焦结构4，以激发样品尖端产生增强的高密度电场。该探针与扫描探针显微镜集成后，通过扫描样品，电磁热点与待测样品进行接触从而激发光学信号。该探针的聚焦点在纳米尺度，具有纳米尺度的表面化学成分鉴别能力，而三维光刻技术的应用保证了设计的灵活性、可重复性以及大批量制备的可行性，具有低成本高性能的优势。
具体使用方法1为：
(1)取一根单模光纤，规格8/125μm，去除其端面的涂覆层，利用光纤切割刀切平两个端面，然后分别用丙酮(纯度99.7％)、酒精(纯度99.9％)、去离子水(电阻率18.2MΩ)超声(40W)清洗10分钟，然后用氮气(纯度99.7％)吹干；
(2)利用光刻技术将三维微纳波导结构制备于光纤底面，并在波导结构表面镀上70nm的金层，波导结构包含主体聚焦结构以及支架结构，其中聚焦结构由覆盖单模光纤通光孔且半径为30μm的圆球基座和高度为70μm并倾斜探出光纤的锥体组合构成，支架部分由20～30μm高的圆柱体构成；
(3)将光纤探针组装于近场显微镜上，用连续可见激光对探针尖端部分照明，同时利用近场显微镜的光学收集装置收集近场光学信息。
使用方法2为：
(1)取一根多模光纤，规格62.5/125μm，去除其端面的涂覆层，利用光纤切割刀切平两个端面，然后分别用丙酮(纯度99.7％)、酒精(纯度99.9％)、去离子水(电阻率18.2MΩ)超声(40W)清洗10分钟，然后用氮气(纯度99.7％)吹干；
(2)利用光刻技术将三维微纳波导结构制备于光纤底面，并在波导结构表面镀上70nm的金层，波导结构包含主体聚焦结构以及支架结构，其中聚焦结构由覆盖单模光纤通光孔且半径为40μm的圆球基座和高度为80μm并倾斜探出光纤的锥体组合构成，支架部分由20～30μm高的圆柱体构成；
(3)将光纤探针组装于近场显微镜上，将连续可见激光导入光纤内部进行内激发，同时利用近场显微镜的光学收集装置收集近场光学信息。

Claims (10)

1.一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，包括光纤(1)和波导结构，所述的光纤(1)中央设有贯穿其长度方向的通光孔(2)，光纤(1)端面设有波导结构，所述的波导结构包括支架(3)和聚焦结构(4)，所述的支架(3)位于光纤(1)和聚焦结构(4)之间，所述的聚焦结构(4)采用锥体结构，并覆盖光纤(1)端面的通光孔(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，所述的聚焦结构(4)由部分球体基座和锥体组成，所述球体基座的一端与光纤(1)端面连接，另一端与锥体的侧面相切，锥体的另一侧面与光纤(1)的端面倾斜连接，其尖端超出光纤(1)的侧面。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，所述的聚焦结构(4)采用光刻方法制备，并固化于光纤(1)端面。
4.根据权利要求3所述的一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，所述的聚焦结构(4)表面镀有金属层。
5.根据权利要求4所述的一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，所述金属层的厚度为30nm～200nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，所述聚焦结构(4)的光能量导入方式包括光纤内部传导和外部照明。
7.根据权利要求1所述的一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，所述的光纤(1)采用单模或多模光纤。
8.根据权利要求1或7所述的一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，所述光纤(1)的外径为125μm～800μm。
9.根据权利要求8所述的一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，所述光纤(1)的端面作抛光处理。
10.根据权利要求1所述的一种基于等离聚焦的近场扫描探针，其特征在于，所述的支架(3)采用圆柱体结构。
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