扫描近场光学显微镜光纤探针的制作与分析

　　引　言

　　传统的光学成象由于受衍射极限的限制,其分辨率最高约为λ/2。扫描近场光学显微镜(SNOM)是一种新兴的超高分辨率光学成象技术,其分辨率可高达10nm左右。由于SNOM的显著优点及广阔的应用前景,目前在国际上已经形成“近场光学”的研究热点[1,2]。与其它形式的扫描探针技术一样,SNOM中最重要的技术之一是探针制作,探针形状和针尖大小直接决定着整个系统的传输效率和分辨率。一个好的探针应该具有尽可能大的锥角和较小的针尖直径(如几十纳米)。SNOM光纤探针的制作方法可分为两类:化学腐蚀法[3]和熔拉法[4]。这里基于这两种方法,介绍我们的两种简单而又行之有效的光纤探针制作技术。

　　1　探针的制作

　　SNOM探针材料通常采用光纤,光纤由三部分组成:纤芯、包层和保护套。制作探针之前应先将光纤一端的塑料保护套去掉,可采用机械剥离或在二氯甲烷中软分后再剥离,最后在纯的乙醇中清洗,以彻底清除残留物。

　　1.1　带保护层的化学腐蚀法

　　光纤探针化学腐蚀法的一般过程是:将剥去保护套的光纤端都垂直浸入浓度约40%的HF溶液中,浸入深度约5mm。由于表面张力作用,在光纤与HF溶液表面的交界处将形成一个弯月形液柱。随着腐蚀过程的进行,液柱高度不断下降,最终将在光纤的端部形成一个锥。腐蚀速率与HF溶液的浓度和温度、以及光纤的材料有关,通过严格控制腐蚀时间可获得较小的针尖直径。

　　这种方法的优点是所需的设备简单,操作方便。但是,由于HF具有挥发性,部分挥发出的HF被溶液上面的光纤吸附、聚集,导致这部分光纤也遭到腐蚀而变细,从而使光纤锥变得细长,锥角小(通常只有10°以下),这是很不利的。为了克服上述缺点,我们提出一种带保护层的化学腐蚀法,其原理是:在HF表面覆盖一层与HF互不相溶的有机溶液,这样就可阻止HF的挥发,起到保护溶液上方的光纤不被腐蚀的作用。

　　带保护层的化学腐蚀过程如图1所示。剥去护套的光纤端穿过保护液层,垂直浸入HF溶液中,由于表面张力作用,在光纤、HF和保护液三者的交界处形成一个弯月形液柱。该液柱高度要低于无保护层时的液柱高度,因而有利于增加锥角。随着腐蚀过程的不断进行,液柱高度逐渐下降。大约80分钟后,光纤被腐蚀成锥,腐蚀过程便自动中断,光纤探针便做成了。

　　这里,保护液层起到两种作用,一是阻止HF的挥发,保护腐蚀液上面的光纤不被腐蚀;二是降低弯月形液柱高度。二者均有利于增加光纤探针的锥角。

　　1.2　光纤熔接机熔拉法

　　制作光纤探针的另一种方法是熔拉法,即对剥去护套的光纤进行局部加热使之熔融软化,然后使用外力将其拉制成锥。加热源通常采用CO2激光。目前国内外已有商品化的产品,即将一台微管拉制仪与一台CO2激光器组合而成。该仪器操作比较方便,可变的参数比较多,有利于进行探针的优化制作,但是价格比较昂贵[4]。这里,我们使用一种价格比较低廉的、在光纤技术中很常见的仪器——光纤熔接机,同样可达到将光纤熔拉成锥的目的。首先取两段光纤,分别将其各自一端的塑料保护套去掉,并对端面进行光滑平整性处理。然后将这两段光纤分别夹在光纤熔接机的两个导轨上,仔细调节使两根光纤精确对准,并使之熔接在一起。最后,在打火锥产生电弧的过程中慢慢牵引其中一根光纤,通常需要重复多次才能拉断,这样便可在电弧加热区得到一个光纤锥。这里之所以要用两段光纤熔接后再拉制成锥,而不直接对一根光纤在其中部拉锥,是由于光纤熔接机的两个导轨槽并不能时刻保持同轴,而必须经调节才能对准。使用一根光纤时无法进行调节和观察同轴度,故要使用两段光纤。