CN1510694A

CN1510694A - 振动特性优良的光纤探针及其制作方法

Info

Publication number: CN1510694A
Application number: CNA021572038A
Authority: CN
Inventors: 沛王; 王沛; 蔡定平; 鲁拥华; 谢建平; 明海
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2002-12-23
Publication date: 2004-07-07

Abstract

本发明为一种振动特性优良的光纤探针及其制作方法，它涉及扫描光学显微成像技术，特别是针对近场光学实验技术中的扫描式近场光学显微镜所提供的成像构件及其制作方法。它是将现有的光纤探针截断成短针状，使之与另一段连接光电探测器的长光纤的端面相对、耦合，所述短针光纤置于振动件(如石英音叉)的振动臂上，长光纤置于振动件的固定臂上；其制作步骤包括预处理、位置标记、预切割、制针、固定光纤针、折断成短针、耦合长光纤等。形成新颖的非接触式短探针结构，使振动件的基频振动频率不受干扰，因而光纤探针具备了非常优良的振动特性，并且对光的传输效率没有太大影响，加工制作过程中亦不增加成本。本发明可方便地用于现有的近场光学显微镜中。

Description

振动特性优良的光纤探针及其制作方法

技术领域：

本发明涉及扫描光学显微成像技术，特别是针对近场光学实验技术中的扫描式近场光学显微镜所提供的成像构件及其制作方法。

背景技术：

近场光学显微镜(简称NSOM)是在远小于一个波长的距离范围内(即在近场中)进行光学测量，以获得超衍射极限的空间分辨率。目前的近场光学显微镜，是使用熔拉或腐蚀的光纤、并在其外表镀上金属薄膜以形成末端具有10nm至100nm直径尺寸的光学孔径作为光学探针，安装在可作精密位移与扫描探测的压电陶瓷材料上，结合原子力显微技术(AFM)所提供的高度精确的回馈控制，将光学探针非常精确地控制在被测样品表面上1nm至100nm的高度，进行可回馈控制的三维空间近场扫描来获得样品的图象。具有纳米尺度光学孔径的光纤探针既可接收也可发射光信息，可对样品作反射或透射，以测量各种光学、光谱信息，尤其是所获得的各种光学信息是纳米级区域的光学信息，能提供样品表面小至分子尺寸的光学、光谱信息。另外，在纳米技术领域中，近场光学显微镜除了可有极高的空间分辨率、用以取得极小区域的近场光学信息外，也可成为改变样品表面上纳米尺度的结构的一种新方法，进而成为纳米制作(nano-fabrication)与纳米光刻(nano-lithography)技术中重要的新工具。因此，近场光学显微镜已大量且迅速地应用于纳米技术中的生物、医学、半导体及各种材料等的研究上。

近场光学显微镜的光学空间分辨率主要取决于光纤探针末端光学孔径的大小。目前，轻敲模式(tapping mode)的近场光学显微镜，是将制备好的光纤探针粘在石英音叉一支振臂的前端上做轻敲，测量石英音叉输出的电压作为回馈控制的依据，将光纤探针控制在样品表面上近场的范围内，进行近场范围内的扫描测量。以轻敲模式工作，首先要找到粘有光纤探针的石英音叉的基频振动频率，在其共振频率附近选取一工作点，才能使光纤探针趋近样品表面近场区域，近场光学信号由光纤探针尖端取得，经光纤波导送至光电倍增管，再送至锁相放大器，放大后的信号最后送至电脑作为近场光学像的信号。因此，粘有光纤探针的石英音叉要有很好的基频振动频率特性，这是取得较好光学信号的前提。然而，由于粘在石英音叉一支振臂前端上的光纤探针有很长的传输近场光学信号到光电倍增管的尾纤，这样势必对石英音叉基频振动频率有很大的影响，以至难以形成基频振动频率曲线，这样一来系统就不能很好的工作，甚至不能工作。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种具有优良振动频率曲线的光纤探针及其制作方法。

本发明的技术解决方案如下：

光纤探针的结构是：一端为针尖状的镀有金属薄膜的微细光纤，固定于振动件上，其特征在于：该光纤截断成短针状，截断处为平端，该平端与另一段连接光电探测器的长光纤的平端相对、两者相距1～50μm。

上述方案中，所述振动件为石英音叉，所述短针置于音叉的振动臂上，所述长光纤置于音叉的固定臂上。

光纤探针的制作步骤如下：①对光纤进行预处理；②在光纤上做出位置标记，其中在光纤芯上至少有一个位置标记；③在光纤芯上的标记处进行预切割；④将光纤制作成针，所形成的针尖与预切割标记相距一个短针的长度；⑤把光纤针固定在振动件上；⑥在预切割标记处折断使光纤针成短针状；⑦将长光纤与短针端面耦合并固定在振动件上。

具体而言，本发明中制作短针的光纤一般是单模石英光纤，其芯径细，容易制成针状；所镀金属薄膜一般为铝膜，也可以根据需要采用其它金属(如金、银等)；长光纤则可以为单模或多模光纤；短针的长度应与振动件(例如石英音叉)的尺寸相适应，一般为3mm左右；短针光纤与长光纤的端面之间以不相接触并便于光线的耦合为宜，可相距1～50μm，一般为约10μm。振动件可以为石英音叉、压电陶瓷等，不过以石英音叉的效果为佳。短针应置于音叉的一支振臂——起振动作用的振动臂上，长光纤应置于音叉的另一支振臂——起定位作用的固定臂上。短针光纤、长光纤与振动件(例如石英音叉)之间的连接以粘接为宜。将所述光纤经过预处理、位置标记、预切割、制针、固定光纤针、折断成短针、耦合长光纤等制作步骤，即可得到本发明：①对选用的光纤进行清洁、去外包层的预处理，所去外包层的长度根据选用的制针工艺而定；②根据选用的制针工艺，在光纤上做出合适的位置标记，其中至少在光纤芯上做出一个位置标记；③在光纤芯上的标记处进行预切割，以少量进刀、不截断光纤为宜；④利用常规工艺制针，可根据所拥有的条件或设备选择合适的工艺(例如：熔拉或化学腐蚀或熔拉后腐蚀等，真空镀膜或离子镀膜等)，所制成的光纤针针尖应与预切割标记处相距一个短针的长度(例如3mm)；⑤把光纤针固定在振动件上(例如粘接在石英音叉的振动臂上)，使预切割标记处在振动件上位于合适的位置，以短针不影响振动、又便于长光纤与之耦合为宜；⑥在预切割标记处折断，光纤针即成短针、折断处的端面即为平面；⑦将端面切割为平面的长光纤与短针相耦合，并将长光纤固定在振动件上的合适位置(例如粘接在石英音叉的固定臂上)。两者的端面尽量相互靠近但不相接触(例如10μm左右)、光线可以从短针耦合到长光纤中。

当本发明的光纤探针以轻敲模式进行工作时(方法同现有技术)，短针尖端的纳米孔径探测到样品上反馈的光学信号，然后经两者相对的平端耦合到长光纤中，经过光电探测器(例如光电倍增管)及后续电路传输到处理及控制部件(例如电脑)中；粘有光纤短针的振臂在轻敲下进行振动，测量振动件(例如石英音叉)输出的电压作为回馈控制的依据。由于振臂上的光纤短针不拖带长光纤、不与光电探测器及后续电路相连，因而该振臂的振动不受其它任何因素的影响，完全反映出其自身优良的振动特性。这样，粘有短针的石英音叉几乎以其固有振动频率(略低于其固有振动频率)进行振荡，形成非常优良的振动频率曲线。

也就是说，本发明以巧妙的构思解决了以往难以克服的困难，使作为振动件的石英音叉的基频振动频率不受干扰。所提出的光纤探针以一段短光纤探针与另一段长光纤相互耦合匹配，两者不相连，这种新颖的非接触式结构不仅使得光纤探针具备了非常优良的振动特性，并且对光的传输效率没有太大影响，加工制作过程中亦不增加成本。本发明可方便地用于现有的近场光学显微镜中。

附图说明：

图1，本发明结构示意图。

图2，本发明前期制作过程(部分)示意图。

图3～5，本发明与现有技术的效果对比示意图。图3，未粘光纤探针之音叉振臂的振幅与频率；图4，粘有长光纤探针之音叉振臂的振幅与频率；图5，粘有短光纤探针之音叉振臂的振幅与频率。

图6～7，用本发明探针在收光模式下获得的NSOM光波导图像和端面AFM图像。

图8～9，用本发明探针在送光模式下获得的NSOM发光管光致电流分布图像及其端面AFM图像。

具体实施方式：

1、光纤探针的前期制作

光纤探针的前期制作采用以下步骤：①熔拉或化学腐蚀或熔拉后腐蚀以形成微细探针；②在微细探针上镀上一层金属薄膜，使探针尖端形成纳米尺寸的光学孔径。本发明具体采用的是激光加热熔拉的方法，使用的光纤熔拉机是Sutter Instrument公司所生产型号为Model P-2000的光纤熔拉机。

首先截一段长约20cm、直径为0.125mm的单模光纤，在其中间处利用机械光纤去皮器剥除光纤的外包层约30mm；在距离去包层处一端起点前约3mm处以油性笔作第一个标记(此标记位于光纤外包层上)，并以此标记为始再往去包层处方向15mm处作第二个标记(此标记位于裸露的光纤芯上)。然后以显微镜观察，将作好标记的光纤置于FURUKAWA FITAL S321光纤切割器平台上，以钻石刀划过第二个标记后，不截断取出。之后把此段光纤置于光纤熔拉机上，将第一个标记对准熔拉机的固定座边界并夹紧，再将光纤的另一端夹紧在熔拉机的活动座上后，瞬间加热熔拉光纤，形成光纤针，针尖离第二个标记相距约3mm(流程示意如图2)。光纤熔拉成针后，将其置入光纤镀膜机(型号为E03-015)的镀针固定座中，再置入真空腔体内进行蒸镀，镀上一层铝金属薄膜，使探针尖端形成20nm的光学孔径。

2、近场光学轻敲模式短探针的制作

完成光纤探针镀膜后，就可将光纤针结合石英音叉(商用产品，型号为S667)制成近场光学轻敲模式短探针。

1)首先将音叉2的一支振臂以市售快干胶(ALTECO，Cyanoacrylate Adhesive)粘于长宽约10mm之方形Al₂O₃压电陶瓷垫片1上，音叉的振臂约高出垫片3.5mm，等待约十分钟。

2)制做光纤探针的是直径为0.125mm的单模光纤，而石英音叉振臂的前端面为0.46mm×0.33mm，在显微镜的观察下，结合多维精密调整平台可方便的粘接光纤探针。首先固定光纤探针，然后对多维精密调整平台进行上下左右前后俯仰等精密调整，使光纤探针放在音叉振臂前端面的适当位置处——必须将前述所作的第二个标记(即钻石刀划过处)置于两音叉振臂端面的中间，探针与音叉垂直接触，然后轻点少量的胶水使光纤探针与音叉粘合，探针粘于不接压电陶瓷垫片的振臂上。

3)等待约四小时后，以镊子在光纤针后段施一外力，由于光纤主要为二氧化硅制成，此动作会造成光纤在钻石刀划过处(即第二个标记)平整地断裂开来分成两段、并且断面为平面，探针成短针状。

4)完成步骤3后，同样利用显微镜配合多维精密调整平台，将另一根以钻石刀平切的多模光纤(长度根据需要而定)，以同样的快干胶将其平切端面对准光纤短针末端的平整面并相距约10μm后，粘着于音叉另一振臂的端面，等待快干胶完全固化后即可使用。这样，音叉2的振动臂上就粘有一很小的镀膜的光纤短针3，而在另一固定的振臂(该振臂因固定在Al₂O₃垫片1上，不振动)上的长光纤4则起到收光的作用，由于其与振动的光纤短针不接触，不会对音叉的振动频率有影响，因此粘有短针的石英音叉振臂几乎以其固有振动频率振荡(略低于其固有振动频率)，有非常优良的振动频率曲线。

性能验证：

1、工作频率曲线比较

实验所使用的石英音叉自然共振频率在32.768 KHz，当其一振臂粘着于Al₂O₃方形陶瓷片时，并架设于NSOM系统上给予一驱动电压(5％)，可得到约32.5 kHz的共振频率，参考振幅约2.5a.u.，如图3所示。当石英音叉的一振臂粘着一现有技术所述的长光纤探针而另一臂固定于Al₂O₃方形陶瓷片时，因探针与收光光纤一体成型，其粘着探针的音叉振臂需承受探针与后段光纤的重量；加上音叉振臂振动时，后段光纤与另一固定于Al₂O₃陶瓷片上的音叉臂有磨擦力，此两项阻力不利于音叉振臂振动，使得其共振频率往低频位移至29.6kHz外，且需要系统提供给振臂75％驱动电压才能找到振臂之共振频率，其参考振幅不到1a.u.，而且振动频率曲线非常不好，如图4所示。因此以长光纤探针作为扫描样品的探针时，因振臂所受阻力而无法将其参考振幅驱动至约2a.u.的可工作范围，且呈现出很差的振动频率曲线。将本发明的非接触式光纤短探针结构与之相比较，振动的石英音叉振臂只需承受很小的短探针的重量，固定在另一臂上的起到收光作用的多模长光纤，由于其与振动的光纤短针不接触，不会对音叉的振动频率有影响，故系统仅需供给振臂约6％的驱动电压就能找到振臂之共振频率，如图5所示，且参考振幅可达2a.u.的可工作范围，并有很好的振动频率曲线。

2、短针实验结果

以本发明的非接触式光纤短探针作为NSOM的光纤探针，①采用收光模式对光波导进行了近场量测，如图6所示为光波导近场光场图像，图7为光波导端面AFM形貌图像；②采用送光模式对发光管(LED)光致电流进行了近场量测，如图8所示为近场扫描送光的光致电流分布图像，图9为扫描区域的端面AFM形貌图像。

实验证明本发明的非接触式光纤短探针是有效的，可提供优良的工作振动频率曲线，较好地给出测量样品的NSOM图像和AFM图像。

Claims

1、一种振动特性优良的光纤探针，其结构包括一端为针尖状的镀有金属薄膜的微细光纤，固定于振动件上，其特征在于：该光纤截断成短针(3)状，截断处为平端，该平端与另一段连接光电探测器的长光纤(4)的平端相对、两者相距1～50μm。

2、如权利要求1所述的光纤探针，其特征在于：所述振动件为石英音叉(2)，所述短针(3)置于音叉的振动臂上，所述长光纤(4)置于音叉的固定臂上。

3、一种振动特性优良的光纤探针的制作方法，其特征在于制作步骤如下：①对光纤进行预处理；②在光纤上做出位置标记，其中在光纤芯上至少有一个位置标记；③在光纤芯上的标记处进行预切割；④将光纤制作成针，所形成的针尖与预切割标记相距一个短针的长度；⑤把光纤针固定在振动件上；⑥在预切割标记处折断使光纤针成短针状；⑦将长光纤与短针端面耦合并固定在振动件上。