专利名称:近场光纤探针及其制备方法
技术领域：
本发明属于光学精密仪器核心部件的制备技术领域：
，涉及一种制备近场光纤探针的方法，尤其是一种对光纤先进行预处理再进行腐蚀制备高质量近场光纤探针的方法。
背景技术：
扫描近场光学显微镜(SNOM或NOSM)作为一种重要的光学仪器在物理、化学、材料科学、生命科学、地质和信息产业等领域的应用日益广泛。它作为扫描探针显微镜家族中的新成员主要用于观察和研究纳米和介观尺度上物体的外观形貌和光学性质，其中利用SNOM对纳米尺度下低维介观体系进行光谱研究是SNOM的重要应用之一。如何有效地提高被测样品表面的近场光学信息的收集效率是改进SNOM的重要问题。因此，如何完善SNOM的核心部件——近场探针的制备工艺，实现可重复大量制备出尖端直径小、形状确定、光收集效率高的探针成为影响SNOM广泛应用的一个重要因素。
目前，在众多利用化学腐蚀法制备近场光纤探针的方法中，最早的Turner法是将裸光纤直接插入HF酸中进行腐蚀，其装置简单，但探针形状易受外界扰动的影响，造成表面不光滑；动态腐蚀法在Turner法的基础上利用裸光纤和HF酸液面之间的相对移动腐蚀制备出针尖，该方法装置复杂，且所制备出的探针同样表面粗糙、不光滑，且尖端直径不够小；上世纪末提出的Tube etching法，其主要步骤是将光纤连同其塑料保护层一起插入HF酸中，利用光纤侧向HF酸渗透腐蚀和光纤底部HF酸对流腐蚀制备针尖，待针尖形成后再利用浓硫酸腐蚀或机械去除塑料保护层得到光纤探针。利用Tube etching法所制备出的探针虽然表面光滑，但由于是在光纤塑料保护层内进行腐蚀，腐蚀范围较大，因此所得到的探针尖端直径较大且形状不确定。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种全新的制备高质量近场光纤探针及其制备方法，所述的方法先对光纤进行预处理使其形成锥角并使锥角前端部分的光纤直径减小，然后再进行腐蚀，第一次实现了小尺度范围内(小于普通光纤直径)的腐蚀，所制备出的探针尖端直径小，表面光滑、锥角大且形状确定。
根据本发明的目的，制备近场光纤探针的方法包括预处理和腐蚀制备两个过程所述的预处理过程包括步骤(1)利用氢氟酸(HF)腐蚀或加热拉制的方法对光纤的一端进行加工，使其形成锥角且锥角末端部分的光纤直径减小，如图1所示；其中，所用到的光纤可以是各种型号的单模或多模光纤，其外径可以是80微米、125微米、140微米、200微米以及其它各种规格的光纤。
其中，所使用的HF酸浓度可以在20％到55％之间调节。HF酸浓度的高低影响腐蚀速度，HF酸浓度越大，腐蚀越快。室温下，20％的HF酸腐蚀速度为1.3微米/分钟，40％的HF酸腐蚀速度为1.9微米/分钟。在一定的腐蚀速度下，通过控制腐蚀时间，可以使锥角前端的光纤直径的范围减小到5至70微米范围。例如24℃时，40％HF酸腐蚀速度为1.7微米/分钟，腐蚀32分钟后，锥角前端的光纤直径减小为70微米；腐蚀70.5分钟后，锥角前端的光纤直径减小为5微米。
其中，所述的加热拉制可以采用现有技术中已知的各种加热方式，包括但不限于燃烧加热和激光加热。加热时间越长、加热强度越大，则锥角前端的光纤直径越小。
其中，锥角前端的光纤直径的减小程度影响最后所得探针的锥角大小，锥角前端的光纤直径减小得越小，最后所得探针锥角越小。例如，当锥角前端的光纤直径减小为5微米时，最后所得探针锥角约为30°；锥角前端的光纤直径减小为25微米时，最后所得探针锥角约为90°。
(2)利用有机溶剂溶解塑料所得的塑料溶液或对塑料进行加热所得的熔融塑料包裹在光纤经过处理的一端，包括但不限于具有锥角的部分。锥角部分需要完全被包裹，锥角以外的部分是否被包裹对腐蚀结果没有显著影响。等塑料溶液的溶剂挥发或熔融塑料冷却凝固后在光纤表面形成塑料膜，其作用是形成小范围的对流腐蚀空间。
其中，用于溶解塑料的有机溶剂是可以溶解塑料的有机物，较佳地可以是氯仿或二氯甲烷或四氢呋喃。所述对塑料进行加热的方式可以采用现有技术中已知的各种加热方式，包括但不限于燃烧加热和激光加热。
其中，所述的塑料可以是任何可溶于有机物的塑料，只要其熔点低于光纤且能够在光纤表面形成覆膜即可。光纤上所覆的塑料膜以均匀光滑且厚度足够厚为佳，较佳为0.5毫米以上，以有效阻止HF酸渗透。
腐蚀制备过程包括步骤(3)将经过预处理的光纤插入带有油保护层的20％～55％HF酸中进行腐蚀；所用HF酸浓度的变化和腐蚀时环境温度的变化只影响腐蚀完成所需的时间，对最后所制备出的光纤探针形状没有显著影响。室温下，浓度为20％的HF酸所需腐蚀时间为150分钟左右，浓度为50％的HF酸所需腐蚀时间为60分钟左右。腐蚀温度对腐蚀所需的时间也有影响利用浓度40％HF酸，20℃时所需腐蚀时间为2小时左右；40℃时所需腐蚀时间为50分钟左右。所用HF酸液面上覆有一层油保护层，所用油物质可以是密度小于HF酸且不溶于水的有机物，该油物质必须是不与光纤及其上面所覆塑料膜发生化学反应的物质。使用该油保护层的目的是避免HF酸挥发而影响腐蚀过程。
应当注意的是，在本步骤中，光纤插入HF酸的深度不能超过塑料膜覆盖的范围，即，光纤与HF酸液面接触的部分必须有塑料膜覆盖，这样可以保证只对经过预处理后的被塑料膜包裹部分的光纤进行腐蚀。如果光纤插入HF酸液面过浅或过深，导致与HF酸液面接触的部分是裸光纤，则和现有技术中的Turner法相似。
(4)腐蚀过程中针尖形成后，腐蚀即可结束，去除光纤表面塑料膜即可得到探针。
去除塑料膜的具体手段可以是利用有机溶剂溶解或浓硫酸腐蚀或机械刮除方法。
综上所述，利用本发明提供的方法，只要调节好预处理过程中锥角前端的光纤直径减小的程度和腐蚀过程中的光纤插入深度、腐蚀时间等参数，即可实现高质量近场光纤探针的工业化制备。与现有技术相比，本发明的方法具有如下优点(1)制备方法简单，容易实施，无需复杂精密装置，只要在利用HF酸腐蚀光纤之前对光纤进行预处理即可。
(2)利用本发明的方法制备出的探针质量稳定，可重复率高，可以大量制备，实现工业化生产。
(3)通过调节预处理后光纤锥角前端直径减小程度，可以制备出不同锥角的探针，以满足不同应用的需要。
(4)利用本发明的方法制备出的探针同时具有形状确定、尖端直径小、表面光滑和锥角大且可控等优点，其镀膜后的形貌和光学分辨率高，通光效率高，完全符合高质量近场光纤探针的技术要求。
图1为本发明一较佳实施例的制备工艺流程示意图；图2为实施例1中的近场光纤探针的扫描电子显微镜图像(放大倍数为90000倍)；图3为实施例2中的近场光纤探针的扫描电子显微镜图像(放大倍数为100000倍)；图4为实施例3中的近场光纤探针的扫描电子显微镜图像(放大倍数为120000倍)；图中，相同的标号表示相同的部件
1-裸光纤 2-预处理腐蚀后的裸光纤 3-塑料膜 4-异辛烷保护层5-40％HF酸 6-制备腐蚀完成后的光纤 7-光纤探针具体实施方式
实施例1如图1所示，本实施例的探针制备工艺流程主要分为四步第一步将末端几厘米范围内去除了塑料保护层的裸光纤1用浓度为40％的HF酸在室温下(此处为24℃)腐蚀58分钟，得到具有一定锥角、末端直径为7微米的预处理腐蚀后的裸光纤2；第二步将利用有机溶剂氯仿溶解塑料所得的塑料溶液包裹在光纤的锥角和与锥角相连的裸露部分，待氯仿挥发后在光纤表面形成均匀的塑料膜3；以上两步属于对光纤腐蚀前的预处理过程。
第三步将经过预处理后的光纤插入带有异辛烷保护层4的浓度为40％的HF酸5的液面中进行腐蚀，腐蚀在室温下(此处为24℃)进行，腐蚀时间为80分钟；第四步将腐蚀完成后的光纤7取出，并用氯仿将表面的塑料膜溶解去除。
经过以上四个步骤后，就制备出了所需的近场光纤探针8，其扫描电子显微镜图像如图2所示。从图中可以看出，该探针的尖端直径小，约30nm；表面光滑；锥角较大，约37°。
实施例2本实施例和下面的实施例3中，探针制备工艺流程与实施例1相同，不同的是改变了腐蚀参数和光纤直径减小程度，从而改变最后所制备出的探针形状。
第一步将末端几厘米范围内已经去除了塑料保护层的裸光纤1用浓度为30％的HF酸在室温下(此处为24℃)腐蚀73分钟，得到具有一定锥角、末端直径为16微米的预处理腐蚀后的裸光纤2；第二步将利用有机溶剂二氯甲烷溶解塑料(此处为聚甲基丙烯酸甲酯，简称为PMMA)所得的PMMA溶液包裹在光纤的锥角和与锥角相连的裸露部分，待二氯甲烷挥发后在光纤表面形成均匀的PMMA膜3；第三步将经过预处理后的光纤插入带有异辛烷保护层4的浓度为30％的HF酸5的液面中进行腐蚀，腐蚀在室温下(此处为24℃)进行，腐蚀时间为110分钟；第四步将腐蚀完成后的光纤7取出，并用二氯甲烷将表面的PMMA膜溶解去除。经过以上四个步骤后，就制备出了所需的近场光纤探针8，其扫描电子显微镜图像如图3所示。从图中可以看出，该探针的尖端直径小，约20nm；表面光滑；锥角较大，约54°。本实施例中所制备出的探针锥角比实施例一中的探针锥角大，是因为本实施例中光纤经过预处理后直径减小为16微米，比实施例一中的7微米大。
实施例3第一步将末端几厘米范围内已经去除了塑料保护层的裸光纤1用浓度为20％的HF酸在室温下(此处为24℃)腐蚀77分钟，得到具有一定锥角、末端直径为25微米的预处理腐蚀后的裸光纤2；第二步将利用有机溶剂四氢呋喃溶解塑料(此处为聚碳酸甲酯)所得的塑料溶液包裹在光纤的锥角和与锥角相连的裸露部分，待四氢呋喃挥发后在光纤表面形成均匀的塑料膜3；第三步将经过预处理后的光纤插入带有异辛烷保护层4的浓度为20％的HF酸5的液面中进行腐蚀，腐蚀在室温下(此处为24℃)进行，腐蚀时间为150分钟；第四步将腐蚀完成后的光纤7取出，并用四氢呋喃将表面的塑料膜溶解去除。
经过以上四个步骤后，就制备出了所需的近场光纤探针8，其扫描电子显微镜图像如图4所示。从图中可以看出，该探针的尖端直径小，约25nm；表面光滑；锥角较大，约90°。本实施例预处理过程中光纤直径减小得较少(此处减小后为25微米)，因此所得探针锥角也相应地较大。该探针同时具备了锥角大、尖端直径小和表明光滑等优点，是一种高质量的探针。
权利要求
1.一种制备光纤探针的方法，包括步骤(1)将光纤裸露的一端用氢氟酸腐蚀或加热拉制，使其形成锥角且锥角前端的光纤直径减小到预定值；(2)利用有机溶剂溶解塑料所得的塑料溶液或对塑料进行加热所得的熔融塑料包裹在所述的锥角部分，等塑料溶液的溶剂挥发或熔融塑料冷却凝固后在光纤表面形成塑料膜；(3)将光纤覆有塑料膜的部分插入带有油保护层的氢氟酸中进行腐蚀；(4)待针尖形成后，腐蚀结束，去除光纤表面的塑料膜得到探针。
2.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，光纤插入氢氟酸的深度不超过塑料膜覆盖的范围。
3.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述的氢氟酸的浓度均为20％～55％。
4.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述的加热拉制采用燃烧加热或激光加热。
5.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述的有机溶剂是氯仿或二氯甲烷或四氢呋喃。
6.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述的塑料膜的厚度为至少0.5毫米。
7.如权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述的油保护层是密度小于氢氟酸且不溶于水的有机物，其不与光纤及其上面所覆的塑料膜发生化学反应。
8.如权利要求
7所述的方法，其特征在于，所述的油保护层是异辛烷。
9.一种光纤探针，其表面光滑，尖端直径为20～30纳米，锥角为37～90°。
专利摘要
一种先对光纤进行预处理再用HF酸进行腐蚀制备近场光纤探针的方法。在预处理过程中，首先利用HF酸腐蚀或加热拉制的方法对光纤进行加工，使其形成一定锥角且前端直径减小，再利用有机溶剂溶解塑料所得的塑料溶液或对塑料进行加热所得的熔融塑料包裹在光纤具有锥角的部分上，最后等塑料溶液的溶剂挥发或熔融塑料冷却凝固后在光纤表面形成塑料膜；在腐蚀制备过程中，将经过预处理的光纤插入带有油保护层的HF酸中进行腐蚀，腐蚀完成后利用有机溶剂溶解或浓硫酸腐蚀或机械方法去除光纤表面塑料膜即可得到探针。该方法第一次实现了小尺度范围内(小于普通光纤直径)的腐蚀，所制备出的探针尖端直径小，表面光滑、锥角大且形状确定。
文档编号G01Q60/22GKCN101030455SQ200610058714
公开日2007年9月5日 申请日期2006年3月3日
发明者张家森, 杨景, 龚旗煌 申请人:北京大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan