[发明专利]一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针及其工作方法

说明书

本发明公开了一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针及其工作方法，该探针包括锥形探针纤芯、金属薄膜覆盖层、环形狭缝等离激元增强结构和纳米线，金属薄膜覆盖层均匀分布在锥形探针纤芯的外表面，环形狭缝等离激元增强结构刻蚀在金属薄膜覆盖层上，纳米线生长或组装在金属薄膜覆盖层针尖位置。本发明利用等离激元增强结构，能够在针尖实现更大局域场增强，具有更高的分辨率和信号探测灵敏度，同时结合大长径比纳米线结构，能够实现表面和高深宽比复杂三维结构形貌和光学信息测量。在纳米极限加工、光谱分析和超分辨成像等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米极限加工、光谱分析和超分辨成像等领域，特别涉及一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针及其工作方法。

背景技术

扫描近场光学显微镜可以实现光学成像和化学成份检定，并且能够突破光学衍射极限，实现纳米级分辨力加工和测量，被广泛应用于近场拉曼检测、近场超分辨成像和近场光学加工等领域。扫描近场光学显微镜的分辨率取决于近场探针技术，最常用的为孔径式探针和无孔式探针。孔径式探针较小的锥角和孔径尺寸导致其通光率较小，检测信号较弱，分辨能力受到限制，一般为50nm–100nm。无孔式探针分辨能力由其针尖直径决定，可以达到10nm。然而，无孔式近场探针一般为外部直接照明，会引入极大的背景信号，需要配合使用复杂的干涉和锁相技术。为了消除背景信号并保留纳米级分辨能力，近年来发展了等离激元探针，通过在传统探针上刻蚀特定结构激发表面等离激元传播，在探针针尖实现纳米聚焦。但现有等离激元探针针尖局域光场较弱，使得其在超分辨测量和超衍射加工方面受到一定限制；并且只能测量样品表面的光学和形貌信息，在小扰动且具有高深宽比复杂三维纳米结构测量方面受到限制。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针及其工作方法，本发明能够在针尖实现更大局域场增强，具有更高的分辨率和信号探测灵敏度，同时能够实现表面和高深宽比复杂三维结构形貌和光学信息测量。

为实现上述目的，本发明提供的方案为：

一种锥形光纤结合纳米线的等离激元探针，包括锥形探针纤芯、金属薄膜覆盖层和纳米线，金属薄膜覆盖层均匀分布在锥形探针纤芯的外表面，纳米线设置在金属薄膜覆盖层针尖位置；金属薄膜覆盖层表面开设有若干环形狭缝等离激元增强结构，若干环形狭缝等离激元增强结构能够形成共振干涉增强。

优选的，所述的锥形探针纤芯形状为锥体，锥体角为20°～40°，锥体针尖直径为25nm～100nm。

优选的，所述的金属薄膜覆盖层材料为金或银或铝，厚度为40nm～100nm。

优选的，环形狭缝等离激元增强结构为凹槽结构，凹槽结构由金属薄膜覆盖层的表面延伸至锥形探针纤芯的表面，所述凹槽结构沿锥形探针纤芯的轴线方向延伸。

优选的，环形狭缝等离激元增强结构的宽度为50nm～150nm。

优选的，所述的纳米线材料为金或银或碳纳米管。

优选的，所述的纳米线直径为2nm～50nm，长度为20nm～500nm。

优选的，所述的纳米线生长或组装在金属薄膜覆盖层针尖位置。

本发明锥形光纤结合纳米线的等离激元探针的工作方法，包括如下过程：

锥形光纤结合纳米线的等离激元探针处于工作状态时，光纤径向波导模式在锥形探针纤芯内传播，波矢匹配激发表面等离激元在金属薄膜覆盖层外表面传播，同时环形狭缝等离激元增强结构形成共振干涉，增强表面等离激元局域光场，然后由对接耦合方式激发纳米线表面等离激元传播，在纳米线下端形成局域增强的纳米尺度光场。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：