扫描近场光学显微镜的光纤探针

　　引　言

　　扫描近场光学显微镜(SNOM)分辨率突破了传统光学显微镜的衍射极限分辨率(即λ/2)。自20世纪80年代中期以来获得了很大的发展。到目前为止国外报道的SNOM的纵向分辨率最优可达到0.01nm[1～2]。SNOM同时具有传统光学显微镜及扫描探针技术的优点,能对各种人工微细结构,如光栅[3]、光波导[4]、半导体结构[5]以及磁光材料[6]、量子器件[7]、生物样品[8]等成象,展示其在材料科学、生物学、信息科学等领域广阔的应用前景。SNOM与光谱技术相结合则可实现定域光谱[9]、荧光探测[10]以及单原子、分子的探测与识别[11]。因此,SNOM比扫描探针技术的家族中的其他成员如扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM等有不可取代的优点。但不容忽视的是SNOM的分辨率远低于STM和AFM,这主要由于SNOM的扫描探针的制作技术以及样品探针的间距控制技术还不很成熟。

　　图1为SNOM的成象原理图。为实现超衍射极限分辨率的成象必须满足:首先,探针的针尖必须小于所用光的半波长。一般来讲,针尖越小分辨率越高,但为了保证有足够的光进入探针,针尖也不能尽可能小。其次,探针必须进入样品的近场范围,即样品和探针的间距z<λ/2。这是因为携带样品精细信息的电磁场以倏逝波(evanescent wave)的形式存在于距样品表面很小的间距范围内(<λ/2)。因此扫描探针的制作是SNOM的关键技术之一。本文主要介绍扫描探针的制备与优化。

　　1　实验装置

　　自SNOM发展以来研究人员对各种材料如石英晶体、微毛细管、金刚石、金属晶体等[12]进行了多种方式的加工以获得形状较好尺寸合适的探针。但目前较为常用的是腐蚀法[13]和热拉法[14]加工光纤。腐蚀法用一定浓度的HF酸作为腐蚀剂,通过控制酸液的浓度和腐蚀时间控制针尖的形状和大小。热拉法用功率较大(约25W)的二氧化碳激光器作为热源,加热的同时在光纤的两端施加一定的拉力。腐蚀法较热拉法花费时间长(将近两个小时),参数控制困难,稳定性差。

　　国际上比较通用的热拉方法是在热拉之前将光纤的保护层在甲基盐酸盐中浸软并去除一段,用已经商品化的毛细管拉伸仪对光纤先施加一个较微弱的拉力,打开激光器加热(约为几十个毫秒),然后关掉激光,施加较大的力直到将光纤拉断。国外已经有把激光器和拉伸仪相结合并配有电子控制装置的商品,但价格昂贵。

　　我们自行设计的加热拉伸装置[如图2(a)]操作简单,功耗低,成本只有进口仪器的3%。CO2激光器功率在1～10W之间连续可调,并在激光管的出射窗口加有一个焦距为100mm的聚焦锗透镜,从而只要调节光纤相对于激光管出射窗的间距L即可控制入射到光纤上的光斑的大小。激光管和固定支架可以自由地升降,因此很容易调节出射光束相对光纤的上下位置。施力装置用两个完全相同的直线电机,通过控制输入电机的电流大小控制拉力。光纤用五维调节架及光纤夹装卡,可进行三个方向的平移和两个方向的转动,从而调节光纤相对光束的垂直性以及两个装卡端的对中性。