专利名称:可控的制备光纤探针的装置和方法
技术领域：
本发明涉及扫描探针，特别是一种可控的制作光纤探针的装置和方法。
背景技术：
在扫描探针技术中，实现了光学衬度的扫描近场光学显微镜已经大量应用于光学衍射和波导器件、材料科学、生物学等领域。对于扫描近场光学显微镜，其核心部件之一是孔径小于波长的小孔装置，小孔装置的孔径决定了扫描近场光学显微镜的分辨率上限。目前用得最多的小孔装置就是光纤探针。在扫描近场光学显微镜中，为了获得样品高分辨的信息，必须使通过光纤探针的光束在横向上尽可能的受到限制；也要使通过限制区域的光通量尽可能的大，以得到较高的信噪比。另外还要求光纤的一致性(重复性)要好，制作光纤探针的成本要低。实际的光纤探针主要是按上述要求进行设计和制作的。目前，制备光纤探针的主要方法是加热拉伸法和化学腐蚀法，它们的工艺过程分别为加热拉伸法是利用微管拉伸机，用二氧化碳激光器对光纤边加热边进行拉伸，并使它断裂以形成端面平坦的针尖；化学腐蚀法是把光纤放在氢氟酸溶液中进行腐蚀的方法。两种方法形成的光纤尖端的小孔是通过在尖端侧面蒸镀约为100nm厚的铝膜，同时又在针尖端留出未镀膜的透光小孔，用这种方法可以把透光小孔的尺寸控制在20～50nm。然而，用加热拉伸法制备的光纤探针成本较高，且不能获得满足多种用途要求的、锥体形状可控的尖端。化学腐蚀法有两种类型，即静态腐蚀法和动态腐蚀法，静态腐蚀法是将已去除包层的光纤插入氢氟酸中，保持静止，由于酸溶液与有机保护溶剂不同的张力作用，会在光纤表面形成新弯月形的液面，最终可腐蚀出锥体形状的针尖，这种腐蚀法虽然设备要求简单，但是难以控制，尤其不能控制腐蚀速度，所得的针尖虽然可以非常尖，但由于针尖锥体角太小导致光通量极低，因此无太大使用价值。为了实现制备兼具锥体形状和窗口尺寸的理想光纤探针，有人将加热拉伸与化学腐蚀方法结合起来，并制备出了较好通光效率的抛物线锥体形状和较好窗口尺寸的针尖，但是这种方法的重复性非常差，而且还难以制备出不同锥体形状的针尖。因此，设计制作锥体形状可控、重复率高的光纤探针的腐蚀装置，对扫描近场光学显微镜在更多领域的广泛应用有着重要意义。
在先技术《虹吸提升法腐蚀制备光纤微探针的装置及方法》(专利号03131830.4)中，该装置工作时，通过调节虹吸主容器和虹吸附容器之间水面的液位差来控制水的流向，而通过调节虹吸调速阀门的大小来控制水的流速，从而使盛放着氢氟酸的腐蚀液容器随着悬浮载物台的上下移动而移动，实现光纤相对于腐蚀溶液向上或向下的移动，最终可获得较好的光纤探针。该装置结构简洁，技术条件易于实现。但是明显存在以下不足1、由于采用悬浮载物台，因此在调节容器液面时，悬浮载物台很容易左右移动以及上下振动，这会导致光纤与腐蚀溶液发生相对移动，从而影响腐蚀出来的探针的锥体形状；2、该装置自动化程度较低，人工干涉多，人不能离开，人为影响因素较多，准确性差。例如用人工来改变虹吸调速阀门的大小并控制两次改变的时间，其准确性是很差的，这使得实验条件的重复性大大下降，从而会导致光纤探针的重复率低；3、尽管采用螺旋测微器可以控制光纤下降的高度，但由于不能定量的知道每次安装好的光纤所处的位置，每次实验时光纤插入酸溶液实际深度仍然存在差异，从而也影响实验条件的一致性，因此也会影响光纤探针的重复率。
发明内容
本发明要解决的问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种可控的制作光纤探针的装置和方法，本发明应具有重复性能好、可调范围广、操作简单的特点，可以获得重复率高、尖端超锐、尖端锥体形状可控、尖端均匀变细、表面光滑的光纤探针。
本发明的技术解决方案如下一种可控的制备光纤探针的装置，该装置由光纤探针位置控制装置、可编程控制电路板和电机控制程序构成所述的光纤探针位置控制装置包括一旋转电机固定在一支撑架上，一齿条支撑棒安装在旋转电机的轴上，在齿条支撑棒上固定一齿轮夹持器，该齿轮夹持器上固定一直流电机和一精密平移台，在该精密平移台上固定一悬臂横梁，在该横梁的通孔中装有多个光纤夹，所述的光纤夹用于固定光纤的一端，在所述的光纤夹的下方有一腐蚀容器固定在一底座上，该腐蚀容器中装有酸溶液和浮在酸溶液上的油层，在另一底座上固定一装有清洗溶剂清洗容器；所述的可编程控制电路板包括桥式电路、可编程微处理器芯片和拨码开关；所说的桥式电路用于控制电流的方向，从而控制电机的正反转；所说的拨码开关主要用于设置输入可编程微处理器芯片I/O的高低电平；所说的电机控制程序是指烧写在可编程微处理器芯片内存中的根据制作光纤探针的工艺过程编制的控制驱动旋转电机和直流电机的转速、转向及相应速度的持续时间的自动运行的代码。
所述的拨码开关系由多个8段拨码开关组成，每个8段拨码开关有256种组合。
利用所述的可控的制备光纤探针的装置制作光纤探针的方法的流程如下①工作制备先将光纤的一端固定于光纤夹上，并用紧固螺钉将光纤夹固定于横梁的通孔中，使光纤夹的上端面与横梁上端面处于同一平面，光纤的另一端位于腐蚀容器的酸溶液液面上方；②插上电源，系统开始工作，设定拨码开关的工作状态；③根据拨码开关设定的状态，直流电机带动横梁先往上升，直至最高，接着直流电机带动横梁全速从最高处往下降，持续一定时间，使直流电机的刻度盘处于某一刻度，将所有的光纤插入酸溶液中，接着静态蚀刻光纤，将光纤蚀刻断，使所有的光纤的下端都处于同一平面；④直流电机带动横梁继续下降，使光纤浸入酸溶液某一深度，接着让光纤静态蚀刻，利用酸溶液新弯月型液面使光纤先被蚀刻出一定的锥形；⑤接着是按照由初始设置的拨码开关的状态进行光纤的动态蚀刻过程，在动态腐蚀结束后再让光纤作静态蚀刻，使光纤的形成锥形探针，接着让直流电机带动横梁向上提升，把光纤提出酸溶液，直至横梁处于最高处；⑥驱动旋转电机带动横梁逆时针旋转90°，使光纤处于盛有清洗溶液的正上方，接着直流电机带动横梁下降，使光纤浸入清洗溶液一定深度，然后上下移动，清洗掉残留在光纤上的酸溶液；⑦直流电机带动横梁把光纤提出并升至最高处，最后旋转电机带动横梁顺时针旋转90°回到原来位置，同时可编程控制电路板发出警报，整个过程结束。
与在先技术相比，本发明的优点1、带动光纤移动的直流电机的转速、持续时间以及转向是通过可编程控制电路板控制的，因此精度高，灵活，调节范围大，使得光纤探针的重复性好，同时也使制作光纤探针的工艺得到了优化；2、本装置的可编程控制电路板中设置有多个8段拨码开关，用于控制直流电机的速度和其相应的持续时间。由于每个8段拨码开关有256种组合，可以用来设置256种直流电机速度或256种对应直流电机速度的持续时间。在进行实验时可以设置多种直流电机的速度及相应的持续时间，从而实现多锥体角的探针腐蚀。这可以大大扩展实验的调节范围，为制备多种形状的光纤探针提供了更加宽裕的条件，同时也可以使制备光纤探针的工艺得到优化；3、本装置中，光纤在正式进行腐蚀之前，光纤下端的位置可以通过先静态腐蚀断光纤来确定并处于同一水平面内，光纤在溶液中的深度可以精确控制，这进一步保证了实验条件的一致性，从而使光纤探针的重复性得到进一步的提高；
4、本装置采用了可编程控制电路板，可以控制光纤腐蚀的整个过程，包括光纤的清洗，这一过程不需人工干涉，大大提高了装置的自动化程度，也可保证腐蚀时间的一致性。同时，由于直流电机可以进行纳米量级的上下移动，因此可以保证光纤移动速度的准确性，这也进一步提高了实验条件的重复性，从而保证获得高重复性的光纤探针；5、整个装置自动化程度高，实验操作极其简便，且制作光纤探针的成本低。
图1为本发明制作光纤探针的装置的结构示意图。
图2为本发明的电机控制程序流程图。
具体实施方式
参阅图1，图1为本发明可控的制作光纤探针的装置的结构示意图，由图可见，本发明的可调的制备光纤探针的装置，由3个模块组成第一模块为光纤探针位置控制装置；第二模块为可编程控制电路板；第三模块为电机控制程序。其中第一模块所述的光纤探针位置控制装置包括一旋转电机102固定在一支撑架101上，一齿条支撑棒107安装在旋转电机102的轴上，在齿条支撑棒107上固定一齿轮夹持器105，该齿轮夹持器105上固定一直流电机103和一精密平移台106，在该精密平移台106上固定一悬臂横梁108，在该横梁108的通孔中可装有多个光纤夹109，所述的光纤夹109用于固定光纤110的一端，在所述的光纤夹109的下方有一腐蚀容器111固定在一底座112上，该腐蚀容器111中装有酸溶液114和浮在酸溶液上的油层113，在另一底座116上固定一装有清洗溶剂117清洗容器115；第二模块为可编程控制电路板，包括桥式电路201、可编程微处理器芯片202、拨码开关203。所述的桥式电路201是指接成方形的电路，两个对角线点是输入，另外两个输出，可用于控制电流的方向，从而控制电机的正反转；所说的拨码开关203主要是设置输入可编程微处理器芯片202I/O的高低电平。
第三模块为电机控制程序，其流程见图2。所述的电机控制程序是指通过程序驱动可编程控制电路板，从而控制旋转电机102和直流电机103的转速、转向及相应速度的持续时间，从而间接地控制光纤110在腐蚀溶液111中的运动速度和运动方向，实现光纤110的动态腐蚀以及自动清洗。
所说的电机控制程序是指可烧写在可编程微处理器芯片202内存中，上电后可自动运行的代码。
下面是本发明可控的制备光纤探针的方法的一个具体实施例第一部分制备工作先将光纤110的一端固定于光纤夹109上，并用紧固螺钉将光纤夹109固定于横梁108的通孔中，使光纤夹109的上端面与横梁108上端面处于同一平面，光纤110的另一端位于腐蚀容器111的酸溶液114液面上方。在这里保证齿轮夹持器105距离气垫隔振平台一定高度，且腐蚀容器111中氢氟酸溶液114的深度一定，而从光纤夹109伸出的光纤110长度由横梁108下端面与腐蚀溶液液面之间的距离决定，这里伸出的长度为9.5cm。光纤110一端去除包层的长度为2.5cm，将此端朝下，然后把光纤夹109装在横梁108开孔处，保证光纤夹109与横梁108上端面平齐后，用紧固螺钉锁紧光纤夹109。可根据实验需要适当调整。设定三组控制光纤110下降速度的拨码开关203分别为1、2、3，其对应的速度为11.03um/min、6.906um/min、3.475um/min，同时设定对应这三种速度的三组控制时间的拨码开关203分别为1、2、3，时间为5min，10min，5min。
第二部分是探针的制备过程，它分为三个阶段第一阶段，给可编程控制电路板上电，系统开始工作。如果用户设定的拨码开关203状态是在系统允许的工作范围，则直流电机103带动装有光纤110的横梁108先向上升，持续30秒，直至直流电机103的转轴伸得最长，这时横梁108处于最高位置，目的是保证每次实验直流电机103的初始状态都一致；接着直流电机103带动装有光纤110的横梁108全速从最高处往下降，持续31秒，使直流电机103轴上的标志位于刻度盘12刻度，目的是让去除包层的光纤110端部浸入氢氟酸溶液114；这时，直流电机103停止工作，光纤110进行静态腐蚀，以保障接下去的蚀刻过程，所有光纤都是处于同一平面，静态腐蚀的时间为180分钟，保障对不同类型的光纤都可以腐蚀断。
第二阶段腐蚀。直流电机103带动安有光纤110的横梁108继续下降，持续8秒，使光纤110浸入氢氟酸溶液114的深度为3mm。接着让光纤110先静态腐蚀60分钟，这是为了利用新弯月形液面使光纤先被腐蚀出一定的锥形，这个静态腐蚀时间是可调的，可用拨码开关控制，静态腐蚀结束后，接着是根据初始设置的拨码开关203的状态进行动态腐蚀，该过程是直流电机103带动装有光纤110的横梁108以3个不同速度11.03um/min、6.906um/min、3.475um/min连续下降，且持续的时间分别为5min，10min，5min，在动态腐蚀结束后再让光纤110静态腐蚀10分钟，使光纤110的锥形最终形成；接着让直流电机103带动横梁108向上提升，把光纤110提出氢氟酸溶液114，且直至横梁108处于最高处。
第三阶段，光纤探针的清洗。在第二步骤完成后，旋转电机102带动装有腐蚀好的光纤110的横梁108旋转90度，使光纤探针110处于清洗容器115的正上方；接着直流电机103带动该横梁108下降，在光纤110浸入清洗溶液117，深度为20mm，然后带动横梁108上下运动，以清洗残留在光纤110上的氢氟酸溶液114，此过程持续5分钟。最后直流电机103带动横梁108把光纤110提出清洗溶液117，然后升至最高处，最后旋转电机102带动横梁108与原来相反的方向旋转90度，回到原来位置，这时，可编程控制电路板发出警报，整个制备过程结束。
本发明的技术创新在于可控的制作光纤探针的装置可以进行纳米量级的精密上下移动。带动光纤移动的电机，其转速、持续时间以及方向是通过可编程控制电路控制的，因此精度高，灵活，调节范围大，因此重复性好、工艺可以优化、可以制作不同形状的光纤探针。
本装置的可编程控制电路板中设置有多个8段拨码开关，用于控制电机的速度和其相应的持续时间。由于每个8段拨码开关有256种组合，可以用来设置256种电机速度和对应该电机速度的持续时间。在进行实验时可以设置多种电机速度及相应的持续时间，从而实现多锥体角的探针腐蚀。例如，为获得三个锥体角的探针，首先要设置3种电机速度，每种电机速度可以由8段拨码开关的256种组合中的一种来确定，而对应每种电机速度的持续时间也可以由8段拨码开关的256种组合中的一种来确定，这样，只要设置好三种电机速度和相应电机速度的持续时间，就可以获得三个锥体角的探针。这可以大大扩展实验的调节范围，为制备多种形状的光纤探针提供更加宽裕的条件，同时也可以使制备光纤探针的工艺得到优化。本装置中，光纤在正式进行腐蚀之前，其所在的位置可以通过先静态腐蚀断光纤来确定，且光纤在溶液中的深度可以精确控制，这进一步保证了实验条件的一致性，从而使光纤探针的重复性得到进一步的提高。在本装置中，还增加了光纤探针的自动清洗，其可以由旋转电机的左右移动进行清洗或由另一电机的上下移动进行清洗，可及时地防止了酸溶液对光纤探针的进一步腐蚀。
经实践证明，本发明的装置和方法具有重复性能好、可调范围广、和操作简单的特点，可以获得重复率高、尖端超锐、尖端锥体形状可控、尖端均匀变细、表面光滑的光纤探针。
权利要求
1.一种可控的制备光纤探针的装置，其特征在于该装置由光纤探针位置控制装置、可编程控制电路板和电机控制程序构成所述的光纤探针位置控制装置包括一旋转电机(102)固定在一支撑架(101)上，一齿条支撑棒(107)安装在旋转电机(102)的轴上，在齿条支撑棒(107)上固定一齿轮夹持器(105)，该齿轮夹持器(105)上固定一直流电机(103)和一精密平移台(106)，在该精密平移台(106)上固定一悬臂横梁(108)，在该横梁(108)的通孔中装有多个光纤夹(109)，所述的光纤夹(109)用于固定光纤(110)的一端，在所述的光纤夹(109)的下方有一腐蚀容器(111)固定在一底座(112)上，该腐蚀容器(111)中装有酸溶液(114)和浮在酸溶液上的油层(113)，在另一底座(116)上固定一装有清洗溶剂(117)清洗容器(115)；所述的可编程控制电路板包括桥式电路(201)、可编程微处理器芯片(202)和拨码开关(203)；所说的桥式电路(201)用于控制电流的方向，从而控制电机的正反转；所说的拨码开关(203)主要用于设置输入可编程微处理器芯片(202)I/O的高低电平；所说的电机控制程序是指烧写在可编程微处理器芯片(202)内存中的根据制作光纤探针的工艺过程编制的控制驱动旋转电机(102)和直流电机(103)的转速、转向及相应速度的持续时间的自动运行的代码。
2.根据权利要求
1所述的可控的制备光纤探针的装置，其特征在于所述的拨码开关(203)系由多个8段拨码开关组成，每个8段拨码开关有256种组合。
3.利用权利要求
1所述的可控的制备光纤探针的装置制作光纤探针的方法，特征在于其流程如下①工作制备先将光纤110的一端固定于光纤夹109上，并用紧固螺钉将光纤夹109固定于横梁108的通孔中，使光纤夹109的上端面与横梁108上端面处于同一平面，光纤110的另一端位于腐蚀容器111的酸溶液114液面上方；②插上电源，系统开始工作，设定拨码开关(203)的状态；③根据拨码开关(203)设定的状态，直流电机(103)带动横梁(108)先往上升，直至最高，接着直流电机(103)带动横梁(108)全速从最高处往下降，使直流电机(103)的刻度盘处于某一刻度，将所有的光纤(110)插入酸溶液(114)中，接着静态蚀刻光纤(110)，将光纤(110)蚀刻断，使所有的光纤(110)的下端都处于同一平面；④直流电机(103)带动横梁(108)继续下降，使光纤(110)浸入酸溶液(114)某一深度，接着让光纤(110)静态蚀刻，利用酸溶液(114)新弯月型液面使光纤(110)先被蚀刻出一定的锥形；⑤接着是按照由初始设置的拨码开关(203)的状态进行光纤(110)的动态蚀刻过程，在动态腐蚀结束后再让光纤(110)作静态蚀刻，使光纤(110)的形成锥形探针，接着让直流电机(103)带动横梁(108)向上提升，把光纤(110)提出酸溶液(114)，直至横梁(108)处于最高位置；⑥驱动旋转电机(102)带动横梁(108)逆时针旋转90°，使光纤(110)处于盛有清洗溶液(115)的正上方，接着直流电机(103)带动横梁(108)下降，使光纤(110)浸入清洗溶液(115)一定深度，然后上下移动，清洗掉残留在光纤(110)上的酸溶液(114)；⑦直流电机(103)带动横梁(108)把光纤(110)提出并升至最高处，最后旋转电机(102)带动横梁(108)顺时针旋转90°回到原来位置，同时可编程控制电路板发出警报，整个过程结束。
专利摘要
一种可控的制备光纤探针的装置和方法，该装置由光纤探针位置控制装置、可编程控制电路板和电机控制程序构成所说的电机控制程序是指烧写在可编程微处理器芯片内存中的根据制作光纤探针的工艺过程编制的控制驱动旋转电机和直流电机的转速、转向及相应速度的持续时间的自动运行的代码。本发明具有重复性能好、可调范围广和操作简单的特点，可以获得重复率高、尖端超锐、尖端锥体形状可控、尖端均匀变细、表面光滑的光纤探针。
文档编号G01Q60/22GKCN1877745SQ200610028626
公开日2006年12月13日 申请日期2006年7月5日
发明者罗继全, 徐文东, 范永涛, 杨金涛 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan