[发明专利]具有保偏特性的光纤探针及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微弱光信号探测技术领域，更具体地，涉及一种具有保偏特性的光纤探针及其制备方法。

背景技术

近场光学是指距离光源或物体一个波长范围内的光场分布，在近场区域内，既包含向远场传播的辐射场成分，也包含“依附”于物体表面、其强度随离开表面的距离增大而迅速衰减的倏逝场成分。近场光学显微镜则是指在近场中进行光学测量，这种技术突破了光在远场中的衍射极限，使空间分辨率极限在原理上不再受到任何限制。此外，近场光学显微镜还具备改变样品表面纳米尺度结构的能力，进而可以应用于纳米制造与纳米光刻技术中。因此，近场光学显微镜在材料科学，生物科学和医学等领域应用非常广泛。

近场光学显微镜在工作时，入射的平行激光束超过全反射临界角并在样品表面激发倏逝场。当近场光学探针的针尖进入样品表面的倏逝场区域后，由于局部的全反射受抑，倏逝场光信号经由近场光学探针端面耦合进入光纤，并通过光电探测系统将光信号转变为电信号，获得样品表面的光谱信息。在近场光学显微镜系统中最重要的技术之一就是近场光学探针的设计和制备，其中近场光学探针的探针形状会影响系统的传输效率，而探针针尖的尺寸则决定系统的空间分辨率。当近场光学探针的孔径较小时，系统的空间分辨率较高；但如果孔径过小，近场光学探针的截止频率升高，信号光强度减弱，信噪比降低，空间分辨率反而降低。因此，有必要优化近场光学探针的结构设计，制备出耦合效率和性噪比高的近场光学探针。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有保偏特性的光纤探针及其制备方法，能显著提高探针顶端偶极子体的辐射率，提高相干信噪比，制备过程容易精确控制，且可重复性好。该光纤探针除能应用于近场光学显微镜外，还能应用于拉曼光谱、白光纳米椭偏仪和超快泵浦的探测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有保偏特性的光纤探针，其特征在于，包括裸光纤探针和金属薄膜；所述裸光纤探针由去除保护层后的椭圆芯保偏光纤制得，所述裸光纤探针的一端为针尖结构，针尖下端面为椭圆形，针尖顶部沿针尖下端面的长轴方向存在凹槽，将针尖顶部分割成对称的两瓣；所述金属薄膜覆盖除所述凹槽外的所述裸光纤探针的表面，在针尖顶部形成两瓣金属薄膜，所述两瓣金属薄膜与所述凹槽形成表面等离子体增强结构。

优选地，所述金属薄膜的膜厚为50～150nm。

优选地，所述凹槽的槽宽为10～50nm。

优选地，所述金属薄膜的材料为金、银或铝。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述光纤探针的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）选取椭圆芯保偏光纤，去除保护层，得到裸光纤；

（2）采用拉锥法或化学刻蚀法在裸光纤的一端形成针尖，该针尖为类鸭嘴形，针尖下端面为椭圆形，构成鸭嘴结构的两曲面相交形成一条背脊线，该背脊线与针尖下端面的长轴共面；

（3）在所述步骤（2）得到的结构表面镀上一层金属薄膜；

（4）沿背脊线方向切除针尖顶部的一段背脊线，使被切除部分的光纤芯材裸露在外，同时使金属薄膜在针尖顶部分割成两瓣；

（5）沿针尖下端面的长轴方向，将针尖顶部裸露的芯材分割成两瓣，从而在两瓣金属薄膜间形成空气间隙，完成光纤探针的制备。

优选地，所述步骤（2）具体为：将含有HF和NH4F的混合溶液作为刻蚀液，在刻蚀液表面覆盖一层不溶于该刻蚀液的有机溶剂作为保护液，将裸光纤部分垂直插入刻蚀液，使光纤下端暴露在刻蚀液中，直至针尖形成。

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，具有以下有益效果：

1、无背景场增强，利用探针顶端的两瓣金属薄膜能有效合并远-近场电磁模双向耦合时的场增强，从而显著提高探针顶端偶极子体的辐射率。

2、采用椭圆芯保偏光纤，通过双折射效应，消除普通光纤由于应力不对称而导致的光的偏振态变化，能提高相干信噪比。

3、制备过程容易精确控制，且可重复性好。

附图说明

图1是采用化学刻蚀法制备针尖的示意图；

图2是在针尖形成后的结构表面镀上一层金属薄膜后的结构示意图，其中，（a）为正视图；（b）为俯视图；（c）为右视图；

图3是金属薄膜在针尖顶部分割成两瓣后的结构示意图，其中，（a）为正视图；（b）为俯视图；（c）为右视图；

图4是最终制得的光纤探针结构示意图，其中，（a）为正视图；（b）为俯视图；（c）为右视图；（d）为立体图。

具体实施方式