[发明专利]消除静态腐蚀时光纤探针表面蜂窝状粗糙形貌的方法

说明书

技术领域

本发明涉及近场光学显微镜和光子扫描隧道显微镜探针的制作方法，适用于改进经典静态腐蚀法制备光纤探针的表面粗糙形貌和圆锥角。

背景技术

近场光学显微镜和光子扫描隧道显微镜是利用近场光学成像来突破常规光学显微镜分辨极限Δx≥λ/2的一种新型技术。近场光学是指光探测器及探测器-样品的间距均小于辐射波长条件下的光学现象。近场区域的结构是相当复杂的，一方面它包括可以向远处传播的成分，即辐射波；另一方面它又包括了仅仅局限于物品表面一个波长以内的成分，即非辐射波，这一部分的特征是“依附”于物体表面，其强度随离开表面的距离而迅速衰减，不能在自由空间存在，因而被称为隐失波(evanescent wave)，隐失波与尺度上小于波长的光源或物体相关。

早期的近场光学探针经历了从空心玻璃微管到刻蚀石英棒，再到由Betzig等人首次使用的镀金属的锥形单模光纤。相比之下这种镀金属的锥形单模光纤具有以下优点：制作方法相对简单，传输功率较大。因此单模光纤作为近场光学的探针在近二十年里引起了广泛的关注和研究热潮。一方面，必须使通过光学探针的光束在横向上尽可能的受到限制，另一方面，也要使通过限制区域的光流量尽可能的大，即得到高的信噪比。光子扫描隧道显微镜(PSTM)是一种新型的SPM，它是仿照电子扫描隧道显微镜(ESTM)的名称提出来的。1991年美国的费雷尔(T.L.Ferrel)等利用光纤尖作为扫描隧道显微镜的探针，成功地研制成世界上第一台光子扫描隧道显微镜，它是让入射平行激光束在入射角超过全内反射临界角条件下，在样品表面上产生隐失波，当光纤尖的端头进入样品表面隐失波区域时，产生局域“全内反射受抑”，光纤尖端头界面将由隐失场光耦合进入光纤。通过光电探测器将此光信号转变为电信号。有固定在压电陶瓷管的光纤尖和XYZ三维驱动电路实现三维扫描。利用微机控制输出扫描图像，来探测样品的细微结构。

近场光学探针和光子扫描隧道显微镜探针是近场光学显微镜和光子扫描隧道显微镜的核心部件之一，探针的性能对近场光学图像的分辨率和信号的强度起着决定性的作用。因此如何通过化学或物理方法制备出性能优异的光纤探针是制备近场光学探针和光子扫描隧道显微镜探针的基础。最常用的制备光纤探针的方法是静态腐蚀法，其利用腐蚀液和保护液界面间的界面张力差，在保护液、腐蚀液和光纤形成的三元体系中，利用HF酸对光纤的化学腐蚀，在溶液密度差、界面张力差等多因素的综合作用下成尖的一种化学腐蚀工艺。腐蚀过程中腐蚀液和保护液的界面随光纤直径的变化逐渐下降，由于在光纤表面上吸附着一定量的腐蚀溶液，这部分腐蚀溶液在界面的下降中，被保护液覆盖，由于表面张力的效应，这层腐蚀溶液形成的膜，不能构成一层稳定存在的膜而是形成一个一个单独的被保护液覆盖吸附在光纤锥尖表面小液滴，由于小液滴中存在的腐蚀溶液继续和光纤表面反应，形成蜂窝状粗糙形貌的光纤探针。这种形貌的光纤探针不利于后期镀膜，最终影响近场光学探针和光子扫描隧道显微镜探针的性能。根据文献资料，采用固定组合的腐蚀溶液和保护液，在腐蚀结束后得到固定锥角(约15～40°)的光纤探针，较小的锥角不利于光子的传输，制约近场光学显微镜和光子扫描隧道显微镜探针的性能。

由此可见采用常规的静态腐蚀法制备光纤探针，由于光纤锥尖蜂窝状粗糙表面和较小锥角制约着近场光学显微镜和光子扫描隧道显微镜探针的性能，因此有必要改进静态腐蚀工艺，制备出表面光滑，大锥角的光纤探针。

发明内容

本发明的目的在于克服现有制作光纤探针技术的不足之处，提供一种消除静态腐蚀时光纤探针表面蜂窝状粗糙形貌的方法。该方法通过采用对原有技术制备的光纤探针的第二次腐蚀修饰，得到锥尖表面光滑，且大锥角的光纤探针。

本发明通过如下技术方案实现。

一种消除静态腐蚀时光纤探针表面蜂窝状粗糙形貌的方法，包括如下步骤：

(1)光纤的预处理：除去光纤包层，将其切成符合试验要求的长度，并依次用氯仿、酒精、去离子水清洗干净。

(2)腐蚀溶液和保护液二元体系的配制：以HF和H₂O或NH₄F、HF和H₂O为腐蚀溶液，采用与腐蚀溶液不相溶的有机溶液作为保护溶液完全的覆盖在刻蚀溶液上面。

(3)光纤化学腐蚀制备光纤探针：将步骤(1)得到的光纤一端垂直浸在步骤(2)配制好的二元体系中，且光纤的下端暴露在腐蚀溶液中，直至针尖刻蚀完成。