基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

扫描近场光学显微镜中两类光纤探针传输特性的研究

采用局域模式耦合理论，对扫描近场光学显微镜中的两类光纤探针－腐蚀锥和熔拉锥的传输特性进行了比较和分析。给出了光在探针锥中传输时耦合效率的分布情况，以及传输效率随锥长，针尖直径和光波长变化的特性。     

近场光学虚拟光探针的数值分析

虚拟光探针是基于近场光学隐失场干涉原理产生的一种非实体探针，可以应用于近场光学超高密度存储、纳米光刻、近场光学成像、光谱探测、纳米样品的近场光学操作等领域。本研究采用三维时间域有限差分（FDTD）方法对近场光学虚拟光探针的光场分布特性进行了数值模拟计算和比较，分析了孔的形状、大小及偏振态等因素对虚拟光探针光场分布的影响，研究结果表明虚拟光探针的通光效率较普通的纳米孔径光纤探针提高10^2-10^4倍；其光场分布的中间峰的半峰全宽（即虚拟光探针的尺寸）在一定距离范围内基本保持不变，从而可以解决近场光学系统中纳米间距控制的难题，避免光学头与介质的磁撞。优化虚拟光探针的设计参量能有效的抑制虚拟光探针中的旁瓣。文章还给出了应用虚拟探针实现高密度光存储的原理方案。     

金属覆层光纤探针近场特性研究

采用有限积分法对用于近场光学显微镜的旋转对称光纤探针进行了数值模拟计算,研究了光纤探针开口附近亚波长范围的电磁场及其能量密度的分布.计算结果表明,在探针外,光场为沿探针轴线方向的近逝波,其空间光场的分布与激励光场及其极化方向有关,在激励光场的极化方向出现了由感应电荷引起的边缘增强效应.同时研究了近场光纤探针的空间分辨率和样品处的电磁场能量,结果表明光纤探针孔的尺寸及其与样品的作用距离是影响探针的分辨率和样品内电磁场能量的重要因素.     

近场研究表面等离子体在银纳米线上的传输

通过双探针近场光学扫描显微镜在银纳米线上实现近场激发和近场收集表面等离子体,用一个探针在银纳米线的一端近场激发表面等离子体,另一个探针近场探测银纳米线上的表面等离子体强度分布,得到强度分布图.强度分布图显示表面等离子体在银纳米线的一端被有效激发并且有一部分表面等离子体沿着银纳米线和基底的界面传播到了另一端.用有限元法对银纳米线内的传播模式进行数值模拟,结果显示银纳米线内存在两种表面等离子体传播模式,分别为基模和高阶模.沿着银纳米线和基底介质之间传输的基模表面等离子体由于传输环境稳定,散射损耗小,实际传输长度接近模式传输长度,达10μm以上;而高阶模表面等离子体由于部分裸露在空气中受表面缺陷散射的影响,散射损耗大,实际传输长度远小于模式传输长度.研究表明:以能量高度束缚的基模表面等离子体作为载体,不仅可以实现低损耗传输,还可以减小集成器件之间的信号串扰,有效提高信息传输的安全性,在集成光学中具有重要应用.     

基于光导微探针的近场/远场可扫描太赫兹光谱技术

太赫兹技术已经成为涉及公共安全、军事国防和国民经济等国家核心利益的前沿研究领域.以往太赫兹测量技术中通常以远场测量为主,如常用的太赫兹时域光谱仪.近年来太赫兹近场技术得到了迅猛的发展,特别是基于光导天线的探针技术的发展,为可扫描的太赫兹近场测量提供了可能.本文详细报道了我们近期在可扫描太赫兹近场光谱仪研究中的进展.采用光纤耦合的光导微探针实现了方便灵活的太赫兹近场/远场三维扫描,并同时获得振幅和相位信息.该系统将有可能广泛应用于人工微结构、石墨烯、表面等离子激元、波导传输、近场成像、生物样品检测、芯片检测等研究领域.     

动态化学腐蚀法制备大锥角近场光纤探针

基于液压传递原理,设计出一种用动态化学腐蚀法制备大锥角近场光纤探针的装置.实验结果表明,在传统的化学腐蚀法制备光纤探针的过程中,通过控制腐蚀液液面的上升速度,可以有效地控制探针针尖的形状以及锥角的大小.在此基础上,还论述了分步控制光纤与腐蚀液液面的相对位移的方法在大锥角光纤探针的制备中所具有的独特优越性.利用所制备的大锥角近场光纤探针在扫描近场光学显微镜上对直径为200nm的小球进行探测,其力学像证实该探针具有较高的形貌分辨率(约为50nm). 关键词： 动态化学腐蚀法 大锥角 近场光纤探针     

近场光镊技术研究新进展

光镊技术,又称光学捕获技术,它是利用光的辐射压力来捕获和操纵包括电介质颗粒、生物细胞及生物大分子在内的微小粒子的。近场光镊技术利用近场光学倏逝场随距离急剧衰减的特征,可显著地降低捕获粒子的尺寸,实现纳米捕获。追踪了近场光镊技术的最新进展,包括全内反射相干倏逝场、近场光学镀膜光纤探针尖、激光照明金属探针尖和聚焦倏逝场用于近场光学捕获,并对其进行了比较,分析了它们存在的主要问题和未来发展方向。     

蓝宝石光纤探针传感器探针研制工艺及传光测试

在分析比较传统光纤探针研制工艺特点的基础上认为其不适用于蓝宝石光纤,因此提出了基于研磨抛光系统的光纤探针制备工艺。介绍了研磨系统的组成及运作方式,阐述了光纤探针制备过程中研磨抛光与固化的主要流程。最后使用光学仿真软件Zemax进行了光纤探针传输效率的仿真测试,仿真结果表明采用940nm波段光源及"面对面"探头安置方式时光纤探针传输效率最高。可应用于蓝宝石光纤探针传感器系统的搭建。     

Theoretical Analyses on the Resolution of Collection Mode Scanning Near-Field Optical Microscopy

Numerical simulations have been carried out in the framework of waveguide theory to model collection mode scanning near-field optical microscopy (SNOM). The theoretical model includes the optical fiber end and describes the metal coated aperture on the probe tip. The developed formalism goes beyond the existing Bethe-Bouwkamp theories for electromagnetic transmission of subwavelength apertures. The finite coating and optical fiber end are now taken into account. The new features enable us to simulate the near-field probes that are widely used in the collection mode SNOM. The emphases of the numerical analyses have been mainly on the resolution mechanism of the microscopy. Influence on the resolution from important parameters of the probe tips, such as the size of the apertures and the probe-sample distance, is extensively studied. The resolution dependence has been analyzed in the light of the near-field coupling efficiency of the probe tip. An optimum tip size has been found which is balanced between the significant signal transmission and the resolution of the device.     

A virtual optical probe based on evanescent wave interference

A virtual probe is a novel immaterial tip based on the near-field evanescent wave interference and small aperture diffraction, which can be used in near-field high-density optical data storage, nano-lithography, near-field optical imaging and spectral detection, near-field optical manipulation of nano-scale specimen, etc. In this paper, the formation mechanism of the virtual probe is analysed, the evanescent wave interference discussed theoretically, and the sidelobe suppression by small aperture is simulated by the three-dimensional finite-difference time-domain method. The simulation results of the optical distribution of the near-field virtual probe reveal that the transmission efficiency of the virtual probe is 10²－10⁴ times higher than that of the nano-aperture metal-coated fibre probe widely used in near-field optical systems. The full width at half maximum of the peak, in other words, the size of virtual probe, is constant whatever the distance in a certain range so that the critical nano-separation control in the near-field system can be relaxed. We give an example of the application of the virtual probe in ultrahigh-density optical data storage.     

高效、高分辨光纤微探针的制备及检验

提出两种同时满足高分辨、高传光效率的探针模型以及制备方法 :先用自制热拉装置将光纤拉制成过渡区为双曲线或抛物线形的探针 ,然后用 4 0 %氢氟酸进行快速腐蚀 ,使探针孔径变小而保持过渡区域形状和锥度基本不变。所获探针孔径变化范围为 2 0～ 2 0 0 nm,锥度 2 0°～ 6 0°。为检验探针性能 ,将两种探针的出射光分布与用传统热拉法所得到探针进行对比 ;探测了光子扫描隧道显微镜状态下的倏逝波衰减曲线 ;给出了用集光式扫描近场光学显微镜得到的近场光学图像 ;同时 ,验证了探针对剪切力控制的适用性。     

一种高透过率光纤探针的制作

本文介绍了一种用于近场扫描光学显微镜(NSOM)中的高透过率光纤探针的制作方法。采用缓冲氢氟酸腐蚀低掺杂的普通单模石英光纤,选取适当比例的腐蚀液,可以得到直径、圆锥角均十分理想的针尖。这种方法不需要高掺杂的特殊光纤或是采用先熔拉后腐蚀的复合工艺。针尖经过镀膜后经测量为针尖直径100nm、透过率5.5×10^-4.