一种用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针及其工作方法

本发明属于微纳米结构表面近场光学成像、形貌测量和光纤波导领域，涉及一种用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针及其工作方法。

背景技术：

显微镜的发明为我们打开了微观世界的大门，而随着科学的发展，我们认识到光学衍射极限会限制光学显微镜的最高分辨率。因此，突破光学衍射极限成为了新一代显微镜发展的主要方向。在接下来的一百年里，扫描探针显微镜、扫面电子显微镜等一系列纳米级高分辨率的测量设备的陆续发明，让我们终于进入了纳米领域。而这些非光学测量方法都存在损伤样品的缺点，当然也无法获得光学超分辨图像，所以近场光学显微镜应运而生。

近场光学显微镜可在样品光学近场进行探测，不受光学衍射极限的限制，因此实现了纳米级的测量分辨率。常用的近场光学探针主要分为有孔探针和无孔探针。对于有孔探针而言，当开孔过小时，小孔的通光量过低，有效信息不足；而当开孔过大时，测量分辨率便会降低，因此有孔探针目前的分辨率为几十纳米，需要设计出有效解决上述问题的新型探针来提高测量分辨率。对于无孔探针而言，探针尖端的大小决定了测量的最高分辨率，所以目前无孔探针能实现十纳米的高分辨测量，但这种方法会有很大的背景噪声，因此需要结合复杂的降噪方法来达到更好的测量效果，使得测量过程烦琐。关于近场光学显微镜的上述问题也是近几十年该领域的主要难题，无论哪个问题的解决都会带来很大的科学发展。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针及其工作方法，本发明即能激发近场光信号又可以实现收集，大大提高了信噪比。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针，包括光纤和锥体，所述锥体设置于光纤纤芯的端面，所述锥体表面覆盖有金属膜，所述锥体底面的直径小于光纤纤芯端面的直径，所述锥体的底面边缘与光纤纤芯端面的边缘之间的区域为透光区域。

优选的，透光区域的宽度不小于入射到锥体上的光波波长的一半、不大于入射到锥体上的光波波长的两倍。

优选的，所述锥体的锥体角为20°～50°，锥体针尖直径为1-100nm。

优选的，所述锥体包括光纤部，所述光纤部为圆锥状或圆台状的光纤，当所述光纤部为圆台状的光纤时，光纤部的顶端还设有圆锥状的金属部，圆台状的光纤和圆锥状的金属部共同构成所述锥体；所述锥体表面覆盖的金属膜为透光金属膜。

优选的，所述透光区域表面设有所述金属膜。

优选的，所述金属膜的厚度为10-200nm。

优选的，所述透光区域的形状为圆环形。

优选的，所述光纤上设置锥体的一端设为圆台形，光纤纤芯在该端裸露的表面包覆有防透光金属膜。

优选的，所述金属膜的材质为金、银、铝、铬或钛；所述防透光金属膜的材质为金、银、铝、铬或钛。

本发明如上所述用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针的工作方法，包括如下过程：

将所述用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针安装于近场光学显微镜；

对样品进行测试时，激光束经光纤纤芯入射到锥体上，在锥体的顶部形成局域光斑；

当锥体和样品的表面相互作用时，样品表面近场光向四周散射，这时透光区域在样品近场直接收集散射光，并通过光纤纤芯传递至远端。

本发明具有如下有益效果：

本发明所涉及的用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针与传统近场光学探针相比，特点和优势非常突出，具体如下：本发明在光纤纤芯的端面设置锥体，该锥体作为整个探针的针尖，通过控制锥体顶端的尺寸，就能控制整个探针的测量分辨率，使本发明的探针能够达到目前近场光学显微镜的最高值。通过将所述锥体顶端尺寸控制在纳米级，使得本发明的探针在测量获得光学图像的同时，还能得到纳米级样品表面形貌图，实现了多物理量的同时测量。锥体底面的直径小于光纤纤芯端面的直径，所述锥体的底面边缘与光纤纤芯端面的边缘之间的区域为透光区域，因此，用该透光区域能够在样品表面近场直接收集针尖散射信号，提升了信号强度，减少了大量的远场背景噪声，进而提高了信噪比。

进一步的，透光区域的宽度不小于入射到锥体上的光波波长的一半、不大于入射到锥体上的光波波长的两倍，透光区域的宽度保证了收集近场光有足够的光通量，同时减少空间杂散光的干扰。

进一步的，锥体的锥体角为20°～50°，在该椎体角度下，收集近场光的强度较强，能够满足检测要求，而经过当锥体角超出这个范围时，收集近场光的强度都会急剧减小，使得信号非常微弱，针尖的直径会影响针尖处激发的近场局域光斑，直径越小测量分辨率越高，因此本发明锥体针尖直径为1-100nm。

进一步的，锥体包括光纤部，所述光纤部为圆锥状或圆台状的光纤，锥体表面覆盖的金属膜为透光金属膜，因此本发明的探针还能够通过锥体部位在样品表面近场直接收集针尖散射信号，进一步提升了信号强度，减少了大量的远场背景噪声，提高了信噪比。

进一步的，透光区域表面设有所述金属膜，由于锥体和透光区域的尺寸较小，在锥体表面制备金属膜时，透光区域很难遮挡，因此在锥体和透光区域均制备上了金属膜，这样能够降低在锥体表面制备金属膜时的难度。

进一步的，金属膜的厚度为10-200nm，该厚度的金属膜能够确保光可以耦合通过进入光纤，同时由于金属膜的存在会激发表面等离子体，实现光场增强的效果。膜厚过厚时，光便不能透过。

进一步的，由于现有的光纤直径都比较大，为了获得本发明的探针，使得各部分尺寸满足要求，那么需要将光纤上设置锥体的一端设为圆台形，以降低该端的尺寸，以便能够与所示锥体相适配；由于光纤上设置锥体的一端设为圆台形，这样光纤纤芯会有一部分裸露出来，为了防止杂光从光纤纤芯的圆台面进入光纤线芯内部而影响信噪比，因此需要对光纤纤芯的该端做防透光处理，因此本发明在光纤纤芯在该端裸露的表面包覆防透光金属膜。

附图说明

图1是本发明一实施例中用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针的结构及工作原理示意图；

图2是本发明一实施例中用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针工作原理探针的结构示意图；

图3是本发明实施例中测量标准菱形光栅样品的近场光学图像结果示意图。

图中：1光纤纤芯、2光纤包层、3防透光金属膜、4光纤圆锥、5金属膜、6样品、7光纤圆台，8-金属圆锥，9-透光区域。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方法对本发明做清楚、具体的说明。

参照图1和图2，本发明用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针，包括光纤和锥体，所述锥体设置于光纤纤芯1的端面，所述锥体表面覆盖有金属膜5，首先，金属膜5在激光入射下可以有效的激发表面等离激元共振，进而增强样品表面散射光信号的强度，其次，锥体尖端在外部激光入射时会形成局域光斑并向四周散射样品表面所激发的近场光信号，连接锥体底部的为探针后端光纤纤芯，能够在样品表面近场收集锥尖端所散射出的光信号并传递至远端；所述锥体底面的直径小于光纤纤芯1端面的直径，所述锥体的底面边缘与光纤纤芯1端面的边缘之间的区域为透光区域9。本发明中锥体锥尖的尺寸越小所能达到的分辨率越高，同时锥体高度根据入射激光波长的改变而不同。

作为本发明优选的实施方案，透光区域9的宽度(即锥体的底面边缘与光纤纤芯1端面的边缘之间的距离)不小于入射到锥体上的光波波长的一半、不大于入射到锥体上的光波波长的两倍。

作为本发明优选的实施方案，所述锥体的锥体角为20°～50°，锥体的顶部(在图1和图2所示方位中，锥体的顶部为锥体的下顶点，也称为锥体针尖)为圆弧过渡，为一微小的球面，其直径为1-100nm。

作为本发明优选的实施方案，所述锥体包括光纤部，所述光纤部为圆锥状或圆台状的光纤，即为光纤圆锥4(如图1所示)或光纤圆台7(如图2所示)；当所述光纤部为圆台光纤7时，圆台光纤7的顶端还设有圆锥状的金属部(即金属圆锥8)，光纤圆台7和金属圆锥8共同构成所述锥体；此时，所述锥体表面覆盖的金属膜5设为透光金属膜，能够通过锥体部位在样品表面近场直接收集针尖散射信号，进一步提升了信号强度，减少了大量的远场背景噪声，提高了信噪比。该实施方式中，透光区域9和锥体部位共同组成了光信号的收集口。

作为本发明优选的实施方案，所述透光区域表面设有所述金属膜5。

作为本发明优选的实施方案，所述金属膜5的厚度为10-200nm。

作为本发明优选的实施方案，所述透光区域的形状为圆环形。

作为本发明优选的实施方案，所述光纤上设置锥体的一端设为圆台形，光纤纤芯1在该端裸露的表面包覆有防透光金属膜3，防透光金属膜3既能够防止杂光进入光纤线芯影响信噪比，还能够防止进入光纤线芯内的光信号从圆台侧面泄露出去，保证信号的强度。光纤纤芯1该端的端面直径需大于入射激光的波长，以实现收集更多的光信号。此外由于光线纤芯的外部还包覆有光纤包层2，因此在给光纤线芯上述圆台形端部制备防透光金属膜3时，需要在光纤包层2与光纤线芯上共同制备防透光金属膜3，能够防止光信号从光纤包层2与光纤线芯之间的部位泄露。

作为本发明优选的实施方案，所述金属膜5的材质为金、银、铝、铬或钛；所述防透光金属膜3的材质为金、银、铝、铬或钛。其中，金属膜5的透光性越高越好，防透光金属膜3的透光性越低越好，防透光金属膜3的厚度应大于金属膜5的厚度。

本发明如上所述用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针的工作方法，包括如下过程：

将所述用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针安装于近场光学显微镜；

对样品6进行测试时，激光束经光纤纤芯1入射到锥体上，在锥体的顶部形成局域光斑；

当锥体和样品6的表面相互作用时，样品6表面近场光向四周散射，这时透光区域在样品6近场直接收集散射光，并通过光纤纤芯1传递至远端。

实施例

如图1和图2所示，本实施例中，光纤上设置锥体的一端设为圆台形，在光纤包层2与光纤线芯上共同制备有防透光金属膜3，锥体的光纤部为光纤圆锥4，光纤圆锥4与光纤线芯端面之间存在圆环形的透光区域9，光纤圆锥4和透光区域9表面均设置一层透光的金属膜5；防透光金属膜3的材质为金，金属膜5的材质为金；本实施例探针各部分的尺寸如表1所示：

表1

利用本实施例用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针的测量方法包括以下步骤：

1)将该纤探针直接应用于近场光学显微镜，将探针安装好之后即可开始样品测试。

2)当一束激光经光纤入射到探针锥尖时，由于锥尖表面金属膜的存在，能够实现针尖处的局域等离激元共振增强，因此在锥尖处会形成局域光斑。

3)当探针和样品表面相互作用时，样品表面近场光会向四周散射，这时探针纤芯的透光区域9和光纤圆锥4表面收集口可以在样品近场直接收集散射光，并通过光纤内部传递至远端。因此实现了样品表面近场光信号的收集，突破光学衍射极限。

如图3所示，从近场光学成像结果来看，菱形结构边缘有清晰的明暗对比，信噪比非常高，同时菱形尖端测量的分辨率也达到了与针尖尺寸大小的相同量级，证明了探针用于测量的可行性。

综上，本发明提出的用于激发和收集近场光信号的散射式锥形尖端光纤探针，探针前端的锥形结构具有近场无孔式探针高分辨率的特点，同时探针即能激发近场光信号又可以实现收集，大大提高了信噪比。由于具有纳米级的锥形尖端，该探针在一次测量中可同步获得纳米级的样品表面形貌。本发明探针兼具原子力显微探针功能，可实现样品表面形貌和光学图像纳米级超高分辨率的测量，突破了光学衍射极限，可直接用于商用的近场光学显微镜测试当中。