一種掃描近場光學顯微鏡裝置及新型光纖探針結構的制作方法

本發明涉及近場光學探測的光學傳感和成像技術領域，尤其涉及一種掃描近場光學顯微鏡裝置及光纖探針結構。

背景技術：

掃描近場光學顯微鏡(Scanning near field optical microscope，SNOM)作為SPM(Scanning Probe Microscope，SPM)的一種，通過針尖將束縛在物體表面的隱失場信息轉換成可以在遠場探測的傳播場。應用于樣品形貌探測和特殊光場測量方面。SNOM采用的光纖探針決定了掃描近場光學顯微鏡的成像完整性以及分辨率和光信號收集效率。然而理論和實驗都表明，目前通用的孔徑型SNOM光纖探針對電場的橫向分量具有更高的耦合靈敏度，而無法對待測光場的縱向分量進行有效檢測。這對樣品的近場光學成像信息的完整性測量造成了損失，同時也降低了系統信號的轉化和收集能力。另外，背景噪聲干擾造成的低信噪比問題仍然是SNOM成像一個不可忽視的問題。

首先，束縛在樣品表面的隱失場具有矢量性，而且樣品的形態與隱失場的橫向或縱向分量的比重有很高的相關性。由于光纖本身對光場的偏振具有選擇性，橫向光場的耦合效率遠大于縱向場，孔徑型SNOM所用的光纖探針也不可避免，對所測樣品表面的橫向場更加敏感。而很多情況下，樣品的縱向場要明顯強于橫向場，這樣在使用SNOM對樣品進行測量時，將會損失大部分光場信息，一方面造成成像的不完整性，另一方面檢測信號比較困難。

其次，除了上述縱向場耦合效率低的問題，導致目前廣泛使用的SNOM的信號收集效率偏低，系統掃描時間長的原因，還有光信號耦合進探針的效率本身就很低，一般為10^-6-10^-4。現有技術中，通過增加孔徑尺寸的方式提高耦合效率，但會引入很強的背景光信號，而且成像系統的分辨率會降低很多。散射型探針是利用探針將束縛在樣品表面的隱失場轉換成傳播的散射光信號，其散射光具有很廣的空間角度分布，信號的高效率收集非常困難，另外接收散射光信號通常所用物鏡的工作距離較長，這些因素共同限制了信號光的收集效率。

近場光學顯微技術面臨的另外一個關鍵問題是如何將由探針產生的微弱信號光從背景光中分離出來。特別是如需檢測樣品產生的瑞利散射光信號時，此類信號光與入射光在光譜和空間上都重疊的情況。對于孔徑型SNOM，光纖探頭不僅能耦合樣品表面的隱失場，對入射照明光也有一定的耦合響應，因而由光纖探頭檢測的光信號中必然會有背景光的存在，系統的信噪比因此降低。

技術實現要素：

本發明提供一種掃描近場光學顯微鏡裝置及新型光纖探針結構，解決現有技術中掃描近場光學顯微鏡縱向場耦合效率低，導致目信號收集效率偏低，系統掃描時間長的技術問題。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種掃描近場光學顯微鏡裝置，包括：光學照明系統1、探針掃描控制系統2、檢測系統3和光纖探針4，其中，所述光學照明系統1包括：激發光源、第一分束器5、高數值孔徑物鏡6和掃描臺7；探針掃描控制系統2包括：反饋系統8、鎖相放大系統9、計算機10，所述反饋系統8用于控制連接的所述光纖探針4，所述鎖相放大系統9用于連接所述檢測系統3，所述計算機10控制連接所述反饋系統8；檢測系統3包括：光譜分析儀11、光電倍增管12、第二分束器13、CCD14；所述第二分束器13連接所述的光譜分析儀11、光電倍增管12；所述的光譜分析儀11連接所述CCD14；所述的CCD14和光電倍增管12連接所述的計算機10，所述光纖探針4的端面設有金屬膜及金屬顆粒，所述金屬顆粒加工在所述光纖探針4的端面的金屬膜上。

一種新型的光纖探針結構，包括：準備光纖，以所述光纖的一端作為光纖探針；所述光纖探針的端面上鍍上金屬膜；利用實驗手段將金屬顆粒加工在所述金屬膜上，所述實驗手段包括電子束刻蝕、自組裝、光鑷。

本發明實施例提供的一種掃描近場光學顯微鏡裝置及新型光纖探針結構，解決了傳統孔徑型SNOM對光場橫向分量敏感而不能對光場縱向分量進行有效檢測的缺陷，保持所測樣品信息的完整性，提高了信號收集效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例的一種掃描近場光學顯微鏡裝置的結構示意圖；

圖2為本發明實施例的光纖探針的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

首先介紹表面等離子體耦合定向發射的一般原理，如下：

位于光滑金屬膜表面的納米輻射體在表面等離子體(Surface Pasom,SP)作用下，其能量能有效透過金屬膜，并在SP激發角度實現再輻射，這種表面等離子體定向激發現象稱為表面等離子體耦合發射(Surface Plasmon Coupled Emission，SPCE)。下面基于表面等離子體耦合定向發射的一般原理介紹本發明實施例提供的一種掃描近場光學顯微鏡裝置，如圖1所示，包括：光學照明系統1、探針掃描控制系統2、檢測系統3和光纖探針4，其中，所述光學照明系統1包括：激發光源、第一分束器5、高數值孔徑物鏡6和掃描臺7；探針掃描控制系統2包括：反饋系統8、鎖相放大系統9、計算機10，所述反饋系統8用于控制連接的所述光纖探針4，所述鎖相放大系統9用于連接所述檢測系統3，所述計算機10控制連接所述反饋系統8；檢測系統3包括：光譜分析儀11、光電倍增管12、第二分束器13、CCD14；所述第二分束器13連接所述的光譜分析儀11、光電倍增管12；所述的光譜分析儀11連接所述CCD14；所述的CCD14和光電倍增管12連接所述的計算機10。

本發明實施例提供的一種新型光纖探針結構如圖2所示，包括：準備光纖，以所述光纖的一端作為光纖探針；所述光纖探針的端面上鍍上金屬膜；利用實驗手段將金屬顆粒加工在所述金屬膜上，所述實驗手段包括電子束刻蝕、自組裝、光鑷。

對于本發明實施例中光纖探針4的結構，當入射光為橫向偏振時，金屬顆粒內的自由電子由于橫向外電場的作用，形成橫向震蕩的具有局域表面等離子體特性的偶極子。其兩側的自由電子與金屬膜表面的自由電子相互作用，相應地形成橫向震蕩的間隙模式；而對于縱向偏振入射光，金屬顆粒內電子形成縱向震蕩的偶極子，其位于下表面的自由電子與金屬膜表面電子相互作用，形成縱向震蕩的間隙模式。由于更高的電子密度以及更短的電子間平均作用距離，縱向的間隙模式擁有更強的電子間庫倫作用力。這就導致由入射光縱向電場激發的耦合共振模式的特征譜線相對于橫向模式有一定的紅移。基于這個原理，耦合共振譜線在不同偏振下會出現的能級劈裂現象。利用這種能級劈裂現象，解決傳統SNOM只對光場橫向分量敏感，不能對光場縱向分量進行檢測的缺陷。

金屬顆粒與樣品表面作用產生的光信號通過SPCE效應，透過金屬膜后耦合進入光纖纖芯。改變傳統SNOM光纖探針直接耦合光信號的模式。SPCE信號是散射光中滿足SP波矢匹配條件的成分通過金屬膜表面SP耦合到金屬膜背面的輻射場。其發射角度由SP的波矢匹配條件而定，由于SP的波矢大于自由空間中入射光的波矢，散射光的發射角度始終大于系統的全內反射角。例如：對于532nm入射光而言，假定纖芯折射率為1.515，由金屬顆粒產生的散射光經過金屬膜后實現再發射的角度為44.2°，大于系統的全內反射角度θTIR＝arcsin(1/1.515)＝41.3°，由此光信號完全與背景光分離開來，提高了整個系統的信噪比。

另外，光纖由于其較高的纖芯折射率，光信號透過金屬膜后直接與纖芯耦合，大大減少了光信號的損失。同時該探針利用金屬膜的SPCE效應,使原本發散的光信號在某個固定角度實現定向激發，其角度固定，且與背景光分離開來，一方面大大降低背景噪聲的影響；另一方面有助于提升系統的信號收集能力。兩者共同作用有效地提高了系統檢測的信噪比，提升成像速度。

以上對本發明進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。