制备扫描近场光学显微镜光纤探针的自动化腐蚀方法

　　0　引言

　　在扫描探针显微技术中,实现了光学衬度的扫描近场光学显微镜已经大量应用于材料科学[1]、生物学[2]、纳米光学[3]、纳米制造[4-5]等领域.根据探针所起作用的不同,扫描近场光学显微镜大致可分为三类工作模式.第一类,探针作为提供近场照明光的照明模式;第二类,探针作为在近场收集光信号的收集模式;第三类,探针同时起照明和收集作用的照明/收集模式.扫描近场光学显微镜主要的工作方式是利用探针在近场范围内获取物体表面附近反映精细结构的非辐射光学信息,再把这些信息组合成光学图像,其所得图像的质量取决于光纤探针的结构和对尖端与样品之间距离的控制[6].尖端孔径的大小、光传输的效率以及探针制作的重复性,是光纤探针最重要的技术指标.其中探针尖端的锥角在很大程度上决定了探针的光传输性能,锥角越大,传输率越高,且理论计算和实验均已证明针尖锥角在30°~50°之间就可获得理想的光传输率[7].除了锥体角,尖端的锥形轮廓也很重要,如双锥角尖端和三锥角尖端都提高了探针中光的传输率[8-9].至今许多研究小组[10-15]都报道了不同的制备探针方法,并获得了尖端锐利、锥角大或多锥体角的探针,但他们制备探针的重复性却比较差.T.Held等提出了将腐蚀好的光纤探针进行研磨来减小探针的尖端直径并制备各种锥角的探针,但是,光纤探针的研磨过程非常复杂难以保证制备探针的高重复性.Yung-HuiChuang等提出了用不同溶液比进行两步腐蚀的方法,虽然该方法可以获得较好的双锥角探针,但没有考虑获得高重复性探针的实验条件;制作不同锥角的探针,需要改变溶液比,实验操作相对麻烦.东南大学顾宁教授等提出了用虹吸提升法腐蚀制备光纤微探针,该方法可以获得较高重复性的单锥体角光纤探针,但是制作多锥体角光纤探针时,由于变换阀门受人为因素影响,所以其重复性相对较差.因此,制备尖端锐利、大锥角或多锥体角的探针并提高制备探针的重复性是近场光学显微镜探针研究的重点.

　　本文基于静动结合的化学腐蚀法提出了一种自动化化学腐蚀方案.该方案考虑了腐蚀过程中影响探针结构的主要因素,提供了具有较大选择范围的探针制作实验条件,以获得不同结构的光纤探针,满足不同应用的需要.同时最大程度的减少了人为因素的干预,保证了在同一实验条件下获得高重复性的探针.

　　1　静动态结合化学腐蚀法制备探针的原理

　　静动态结合化学腐蚀法制备探针的原理是将静态化学腐蚀法和动态化学腐蚀法有机结合起来,利用各自的优点来制备光纤探针.

　　1.1　静态腐蚀过程

　　静态腐蚀过程就是将光纤插入到氢氟酸中,并保持相对静止不动,光纤被腐蚀成一定形状的过程.光纤插入到由氢氟酸和有机保护溶剂组成的双层溶液中后,氢氟酸在光纤表面形成新弯月形液面,如图1中A所示.其形成原因为氢氟酸溶液与有机保护溶剂之间的表面张力不同.随着氢氟酸对光纤的腐蚀,光纤芯径减少,破坏了初始弯液面的力学平衡,导致弯液面高度降低,形成新的弯液面.经过一段时间的静态腐蚀后,光纤被腐蚀成图1中B的结构.