[发明专利]涡光光纤探针、制备方法及扫描探针和微纳操控系统

说明书

本申请提供了一种涡光光纤探针、制备方法及扫描探针和微纳操控系统。涡光光纤探针包括：光纤，光纤经过拉锥处理以形成基体和与基体连接的过渡区；以及微纳结构，位于过渡区的一端，微纳结构包括螺旋相位板和位于微纳结构末端的针尖，螺旋相位板和针尖均由3D打印制备而成，其中，末端的横截面直径在100nm至10μm之间。涡光光纤探针、制备方法及扫描探针和微纳操控系统，可以通过基于通用光纤及3D打印制备的探针，实现对于微粒样品的光学和力学检测，探针制备过程简单，成本较低，且普适性强。

技术领域

本申请主要涉及激光纳米制造技术领域，尤其涉及一种涡光光纤探针、制备方法及扫描探针和微纳操控系统。

背景技术

近年来光学器件逐渐呈现小型化趋势，微纳光学器件的设计和应用成为了研究热点。其中微纳光纤因其具有尺寸小、重量轻等特点，被广泛应用于各种光学检测系统中。同时，硅基微纳光纤由于其低损耗、超低质量、强消逝场分布和柔韧性等特点，是光力测量和光机械器件中的理想器件。近几年，光纤探针在光学器件中扮演着越来越多的角色，在扫描探针显微镜和传感器中都能见到它的身影。因此，对光纤探针的性能研究具有重要的意义，包括对微纳光纤刚度系数的测量，光机械形变的测量等。光纤探针是最常见的探针，光纤探针与石英音叉相结合，通过剪切力控制间距，使探针至样品表面的距离小于可见光的半波长，进而得到亚波长尺度的样品表面信息。在此基础上，若对光纤加以修饰，形成功能型光纤探针，再通过原子力显微镜音叉反馈的幅值相位等信息的标定，从而得到照射光场的光强分布和光力大小。基于上述性能的测量方法，是推进对微弱光力测量的重要一步。因此通过研制特殊的功能型探针，可实现对微弱光力的探测。

目前，在纳米测量领域，仍以扫描探针显微镜等高端显微镜作为主要测量仪器，其中探针的尺寸形状决定着成像性能。基于原子力显微镜(AFM)的探针扫描可以得到较好的成像分辨率。但基于AFM的普通探针仅能得到样品的横向和纵向尺寸，对于样品间的相互作用力、应力和照射光力等力学信息测量却无能为力。而这些力学信息也是决定微纳结构器件功能的关键信息。为此，迫切需要一种便于制造，且能够将力学测量和普通原子力(非)接触式测量相结合的一种光纤探针来解决上述测量难题。

发明内容

本申请要解决的技术问题是提供一种涡光光纤探针、制备方法及扫描探针和微纳操控系统，可以通过基于通用光纤及3D打印制备的探针，实现对于微粒样品的光学和力学检测，探针制备过程简单，成本较低，且普适性强。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种涡光光纤探针，包括：光纤，所述光纤经过拉锥处理以形成基体和与所述基体连接的过渡区；以及微纳结构，位于所述过渡区的一端，所述微纳结构包括螺旋相位板和位于所述微纳结构末端的针尖，所述螺旋相位板和所述针尖均由3D打印制备而成，其中，所述末端的横截面直径在100nm至10μm之间。

在本发明的一实施例中，所述螺旋相位板和所述针尖的材料为光刻胶。

在本发明的一实施例中，所述螺旋相位板和所述针尖的材料折射率的范围为1.5～1.62。

在本发明的一实施例中，所述光纤包括石英玻璃光纤。

在本发明的一实施例中，所述光纤的直径为100～150μm。

本发明的另一方面还提出了一种涡光光纤探针的制备方法，包括如下步骤：准备光纤，并去除所述光纤中间段的涂覆层，以使所述光纤在所述中间段呈现裸纤；对呈现所述裸纤的所述中间段进行拉锥，以得到具有基体和与所述基体连接的过渡区的经拉锥光纤；对所述经拉锥光纤的所述过渡区进行切割，以在所述过渡区形成圆台；以及根据预设3D打印参数，在所述圆台上打印螺旋相位板和针尖，以得到所述涡光光纤探针。

在本发明的一实施例中，制备方法还包括：在有限元仿真软件中对于所述螺旋相位板和所述针尖进行3D建模，以得到所述预设3D打印参数；以及将已形成所述圆台的经拉锥光纤放置在飞秒激光3D光刻仪器中，并根据所述预设3D打印参数在所述圆台上打印螺旋相位板和针尖打印。