高效率突破衍射极限的探针及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于近场光学和表面等离激元领域，提出了一种高效探针的制备方法，可以在近场扫描系统中的成像，传感，内窥镜以及量子光学系统中得到应用。
【背景技术】
[0002]传统的近场光学探针，是在一个锥形的介质探针表面镀上金属，然后在端口留出一个可以发射和收集光的小孔，在近场光学范围内，这种探针可以在AFM系统的控制下做扫描，与物质结构表面的倏逝波相互作用，可以突破衍射极限。
[0003]但是这种探针是以牺牲光的传输效率为代价，为了实现高的分辨率，就要设计很小的小孔，这样会使光的透过率变低，通常低于1/1000。而且探针的收集效率会更低。这就限制了近场探针在弱信号下的应用，比如量子光学和量子信息领域。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]本发明旨在利用光纤锥波导和金属银纳米线波导之间的倏逝波耦合，实现从光学模式到表面等离激元模式之间的高效率转换，同时利用表面等离激元对电磁场的束缚，把能量压缩到突破衍射极限的尺度。在提高分辨率的同时，将近场探针的效率大大提高。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为解决上述问题，本发明提出一种探针，包括光纤锥和固定于光纤锥末端的导电纳米线，所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，所述导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料。
[0008]优选地，所述光纤锥的张角为3?5度。
[0009]优选地，所述导电纳米线的直径小于200纳米。
[0010]优选地，所述导电纳米线为银纳米线。
[0011]本发明还提出一种制造探针的方法，包括如下步骤:S1、制备光纤锥和导电纳米线；S2、取特定长度的导电纳米线，并将其固定在所述光纤锥的末端；所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，所述导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料。
[0012]根据本发明的优选实施方式，在所述步骤S2中，使用透明胶水将所述光纤锥和导电纳米线固定。
[0013]根据本发明的优选实施方式，在所述步骤S2中，还包括调整银纳米线和光纤锥的耦合距离的步骤，以使二者耦合效率达到最大。
[0014](三)有益效果
[0015]不同于靠光通过小孔的衍射的探针，本发明的探针通过光纤锥绝热地把场模压缩到亚波长量级，然后通过模式之间的耦合，将这个光学模式转换为具有更小模式面积的表面等离激元模式(有效模式面积R~2)，这个效率理论上可以达到90%以上，远远超过了现在的商用近场探针。
[0016]除此之外，本发明的探针还有以下两个优良的特点:
[0017]1.将有偏振性质的单光子或者激光输入这个探针，光的偏振性质可以得到很好的保持。
[0018]2.双光子的偏振纠缠态在经过这个探针后，纠缠度可以很好的保持。
[0019]同时，我们的探针制备方法非常简单，不需要对介质探针进行镀膜，只需要对普通光纤进行拉锥然后在显微系统下对其进行操作即可。这里用到的一个慢慢变细的波导(光纤锥)和一个直径固定的波导(银纳米线)之间的耦合，与普通的两个直径固定直径的波导之间的耦合相比，对光纤锥尺寸的要求很低，允许比较大的尺寸误差。
【附图说明】
[0020]图1是本发明的探针的结构示意图。
[0021]图2是本发明的一个实施例的300nm探针的扫描电镜图片；
[0022]图3是本发明的一个实施例的通光后的300nm直径的银纳米线制备的探针的光学显微镜图片；
[0023]图4是本发明的一个实施例的通光后的10nm直径的银纳米线制备的探针的光学显微镜图片；
[0024]图5是本发明的一个实施例的300nm探针的偏振性质测量结果；
[0025]图6是本发明的一个实施例的300nm探针的维持纠缠性质的测量结果。
【具体实施方式】
[0026]本发明提出一种高效率突破衍射极限的探针及其制备方法。本发明的探针包括光纤锥和导电纳米线，所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料。所述导电纳米线固定于光纤锥的末端。
[0027]图1示出了本发明的探针的结构示意图。如图1所示，该探针包括光纤锥I和导电纳米线2。
[0028]根据本发明，光纤锥I的张角优选为3?5度。导电纳米线2的直径优选为300纳米以下，更优选为50?200纳米。
[0029]所述导电纳米线2的材料可以是任意的能够提供自由电子的材料，通常可为金属，优选为银。
[0030]光纤锥I和导电纳米线2可通过任意方式相互固定，例如采用对光透明的胶水(如环氧树脂)进行粘结。光纤锥I与导电纳米线2的重叠部分的长度可以在5至10微米，具体长度依据耦合效率而定。
[0031]本发明的探针的制备方法包括:
[0032]S1、制备光纤锥和导电纳米线。
[0033]S2、取特定长度的导电纳米线，并将其固定在所述光纤锥的末端。
[0034]上述制备方法中，步骤SI的制备光纤锥和导电纳米线的方法可采用现有技术。步骤S2也可采用现有的微装配技术进行。例如在三维微纳平移台上，先在光纤锥上点胶，然后将导电纳米线移动至固定位置并与胶水接触。等胶水风干后则可得到可发明的探针。但应注意，本发明不排除采用其他方法来使光纤锥与导电纳米线固定。
[0035]下面通过一个具体实施例来进一步说明。
[0036]在该实施例中，利用现有的光纤制作光纤维，导电纳米线使用银纳米线。
[0037]S1.1、光纤锥的制备:
[0038]首先，根据工作波长选取合适的光纤，然后剥去涂敷层，用酒精进行清洗。然后，拉紧清洗后的光纤两端，放在酒精灯火焰上进行灼烧若干秒。等光纤接近烧熔的时候，用力将光纤两端拉开。
[0039]在显微镜下观察得到的光纤锥，