一种半锥形光纤探针及其制备方法

本发明属于光纤传感，涉及一种半锥形光纤探针及其制备方法。

背景技术：

1、扫描近场光学显微镜是突破传统光学衍射极限、实现纳米尺度光学检测与成像的核心设备，广泛应用于纳米光学、表面分析、生物成像等领域。光纤探针作为扫描近场光学显微镜的关键核心部件，其性能直接决定了系统的空间分辨率和信号采集效率。近年来，基于表面等离激元的金属包覆光纤探针因其能够在针尖处实现纳米聚焦光场而受到广泛关注，成为提升扫描近场光学显微镜成像分辨率与灵敏度的关键技术路径。而针对金属膜包覆圆锥形光纤探针主要衍生出两种应用方案，一种是采用径向偏振光激发的对称圆锥形探针，另一种是直接采用激光器输出的线偏振光进行激发，但两种方案均面临对称结构在线偏振光激发下的干涉相位失配问题，难以同时兼顾系统简化与信号增强的双重需求。

2、目前，为解决上述对称结构在线偏振光激发下的干涉相位失配问题，常采用非对称棱锥光纤探针，其芯层为由多个非对称分布的棱面构成的棱锥体，表面均匀包覆金属膜层。当线偏振光耦合进入探针时，在金属膜表面激发表面等离激元，由于棱锥结构的非对称性，不同棱面上传播的等离激元在针尖处不再满足相消干涉条件，从而能够形成纳米尺度的聚焦光场。

3、然而，由于该棱锥芯层为渐变截面结构，针尖端面、棱面交界及表层金属膜易引发反射与散射，造成其在工作过程中产生部分反向传播的表面等离激元，这部分能量无法被有效截留与反射复用，导致光场能量无端耗散，降低了针尖位置的光场强度与信号增益效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种半锥形光纤探针及其制备方法，能够减少能量耗散，提升针尖位置的光场强度与信号增益效果。

2、为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

3、一种半锥形光纤探针，包括光纤，光纤的末端为圆锥形针尖结构，圆锥形针尖结构的外表面设置有一次金属膜层，圆锥形针尖结构沿其轴线所在平面开设有轴向槽，轴向槽从圆锥形针尖结构的尖端向其底部延伸，轴向槽为沿圆锥形针尖结构母线方向贯通的开口槽结构，轴向槽沿轴线方向延伸的侧面为平坦切割面，轴向槽的底部为基部切割面，圆锥形针尖结构未切除部分为弧形曲面，一次金属膜层包覆于弧形曲面，一次金属膜层表面、平坦切割面及基部切割面上包覆有二次金属膜层，利用包覆二次金属膜层的基部切割面反射入射的表面等离激元，并利用包覆二次金属膜层的基部切割面回传表面等离激元。

4、本发明的特点还在于：

5、其中基部切割面与圆锥形针尖结构的轴线相互垂直。

6、其中圆锥形针尖结构的尖端未被切除的部分为探针针尖，基部切割面靠近探针针尖的一侧与圆锥形针尖结构轴线的夹角为锐角。

7、其中基部切割面包覆二次金属膜层后形成基部反射台面，基部反射台面和圆锥形针尖结构轴线的交点与探针针尖之间的轴向距离为100nm~10000nm。

8、其中圆锥形针尖结构的锥角为10°~60°。

9、其中二次金属膜层的厚度为10nm~300nm。

10、一种半锥形光纤探针的制备方法，包含以下步骤：

11、取光纤，对光纤的端部进行处理，得到圆锥形针尖结构；

12、在圆锥形针尖结构的外表面镀制一次金属膜层；

13、沿光纤轴线所在平面对圆锥形针尖结构进行单次单侧剖切，形成具有弧形曲面、平坦切割面及基部切割面的半锥形结构；

14、在剖切完成的半锥形结构整体外表面镀制二次金属膜层，使二次金属膜层包覆在弧形曲面、平坦切割面及基部切割面，得到半锥形光纤探针。

15、其中沿光纤轴线所在平面对圆锥形针尖结构进行单次单侧剖切时，将镀有一次金属膜层的圆锥形针尖结构置于聚焦离子束设备中进行单次单侧剖切。

16、其中沿光纤轴线所在平面对圆锥形针尖结构进行单次单侧剖切时，剖切终止段的切割方向垂直于光纤轴线，或与光纤轴线的夹角呈锐角。

17、其中一次金属膜层与二次金属膜层均采用电子束蒸发或磁控溅射法制备。

18、本发明的一种半锥形光纤探针及其制备方法具有以下优点：

19、本发明通过将光纤的圆锥形针尖结构上开设轴向槽以形成半锥形结构，并在弧形曲面的一次金属膜层、平坦切割面及基部切割面表面分别包覆二次金属膜层，使得线偏振光耦合进入光纤后，能够在弧形曲面处激发表面等离激元并沿锥面传播至探针针尖，形成纳米尺度的聚焦光场，同时，利用包覆二次金属膜层的基部切割面反射入射的表面等离激元，并利用包覆二次金属膜层的基部切割面回传表面等离激元至探针针尖，使其与直接传播的等离激元在探针针尖处相叠加，从而增强探针针尖处的电场强度，有效提升近场光学探测的信号强度与信噪比，从而将原本耗散的反向传播能量转化为探针针尖聚焦的有效贡献，提升了探针针尖位置的光场强度与信号增益效果。

1.一种半锥形光纤探针，包括光纤，所述光纤的末端为圆锥形针尖结构，所述圆锥形针尖结构的外表面设置有一次金属膜层，其特征在于，所述圆锥形针尖结构沿其轴线所在平面开设有轴向槽，所述轴向槽从圆锥形针尖结构的尖端向其底部延伸，所述轴向槽为沿圆锥形针尖结构母线方向贯通的开口槽结构，所述轴向槽沿轴线方向延伸的侧面为平坦切割面，所述轴向槽的底部为基部切割面，所述圆锥形针尖结构未切除部分为弧形曲面，所述一次金属膜层包覆于弧形曲面，所述一次金属膜层表面、平坦切割面及基部切割面上包覆有二次金属膜层，利用包覆二次金属膜层的基部切割面反射入射的表面等离激元，并利用包覆二次金属膜层的基部切割面回传表面等离激元。

2.根据权利要求1所述的一种半锥形光纤探针，其特征在于，所述基部切割面与圆锥形针尖结构的轴线相互垂直。

3.根据权利要求1所述的一种半锥形光纤探针，其特征在于，所述圆锥形针尖结构的尖端未被切除的部分为探针针尖，所述基部切割面靠近探针针尖的一侧与圆锥形针尖结构轴线的夹角为锐角。

4.根据权利要求3所述的一种半锥形光纤探针，其特征在于，所述基部切割面包覆二次金属膜层后形成基部反射台面，所述基部反射台面和圆锥形针尖结构轴线的交点与探针针尖之间的轴向距离为100nm~10000nm。

5.根据权利要求1所述的一种半锥形光纤探针，其特征在于，所述圆锥形针尖结构的锥角为10°~60°。

6.根据权利要求1所述的一种半锥形光纤探针，其特征在于，所述二次金属膜层的厚度为10nm~300nm。

7.一种半锥形光纤探针的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种半锥形光纤探针的制备方法，其特征在于，沿光纤轴线所在平面对圆锥形针尖结构进行单次单侧剖切时，将镀有一次金属膜层的圆锥形针尖结构置于聚焦离子束设备中进行单次单侧剖切。

9.根据权利要求7所述的一种半锥形光纤探针的制备方法，其特征在于，沿光纤轴线所在平面对圆锥形针尖结构进行单次单侧剖切时，剖切终止段的切割方向垂直于光纤轴线，或与光纤轴线的夹角呈锐角。

10.根据权利要求7所述的一种半锥形光纤探针的制备方法，其特征在于，所述一次金属膜层与二次金属膜层均采用电子束蒸发或磁控溅射法制备。