[發明專利]渦光光纖探針、制備方法及掃描探針和微納操控系統

在審

• 申請號: 202310366340.5
• 申請日: 2023-04-04
• 公開（公告）號: CN116360038A
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 商婭娜;郭恒菲;陳娜;劉書朋;劉勇;王廷云;龐拂飛
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G02B6/26
• 分類號: G02B6/26;B82Y35/00;G02B6/27;G02B6/02;G02B6/255;B29C64/386;B33Y50/00;G01Q60/38;G01Q60/24;G01Q10/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 駱希聰

本申請提供了一種渦光光纖探針、制備方法及掃描探針和微納操控系統。渦光光纖探針包括：光纖，光纖經過拉錐處理以形成基體和與基體連接的過渡區；以及微納結構，位于過渡區的一端，微納結構包括螺旋相位板和位于微納結構末端的針尖，螺旋相位板和針尖均由3D打印制備而成，其中，末端的橫截面直徑在100nm至10μm之間。渦光光纖探針、制備方法及掃描探針和微納操控系統，可以通過基于通用光纖及3D打印制備的探針，實現對于微粒樣品的光學和力學檢測，探針制備過程簡單，成本較低，且普適性強。

技術領域

本申請主要涉及激光納米制造技術領域，尤其涉及一種渦光光纖探針、制備方法及掃描探針和微納操控系統。

背景技術

近年來光學器件逐漸呈現小型化趨勢，微納光學器件的設計和應用成為了研究熱點。其中微納光纖因其具有尺寸小、重量輕等特點，被廣泛應用于各種光學檢測系統中。同時，硅基微納光纖由于其低損耗、超低質量、強消逝場分布和柔韌性等特點，是光力測量和光機械器件中的理想器件。近幾年，光纖探針在光學器件中扮演著越來越多的角色，在掃描探針顯微鏡和傳感器中都能見到它的身影。因此，對光纖探針的性能研究具有重要的意義，包括對微納光纖剛度系數的測量，光機械形變的測量等。光纖探針是最常見的探針，光纖探針與石英音叉相結合，通過剪切力控制間距，使探針至樣品表面的距離小于可見光的半波長，進而得到亞波長尺度的樣品表面信息。在此基礎上，若對光纖加以修飾，形成功能型光纖探針，再通過原子力顯微鏡音叉反饋的幅值相位等信息的標定，從而得到照射光場的光強分布和光力大小。基于上述性能的測量方法，是推進對微弱光力測量的重要一步。因此通過研制特殊的功能型探針，可實現對微弱光力的探測。

目前，在納米測量領域，仍以掃描探針顯微鏡等高端顯微鏡作為主要測量儀器，其中探針的尺寸形狀決定著成像性能。基于原子力顯微鏡(AFM)的探針掃描可以得到較好的成像分辨率。但基于AFM的普通探針僅能得到樣品的橫向和縱向尺寸，對于樣品間的相互作用力、應力和照射光力等力學信息測量卻無能為力。而這些力學信息也是決定微納結構器件功能的關鍵信息。為此，迫切需要一種便于制造，且能夠將力學測量和普通原子力(非)接觸式測量相結合的一種光纖探針來解決上述測量難題。

發明內容

本申請要解決的技術問題是提供一種渦光光纖探針、制備方法及掃描探針和微納操控系統，可以通過基于通用光纖及3D打印制備的探針，實現對于微粒樣品的光學和力學檢測，探針制備過程簡單，成本較低，且普適性強。

為解決上述技術問題，本申請提供了一種渦光光纖探針，包括：光纖，所述光纖經過拉錐處理以形成基體和與所述基體連接的過渡區；以及微納結構，位于所述過渡區的一端，所述微納結構包括螺旋相位板和位于所述微納結構末端的針尖，所述螺旋相位板和所述針尖均由3D打印制備而成，其中，所述末端的橫截面直徑在100nm至10μm之間。

在本發明的一實施例中，所述螺旋相位板和所述針尖的材料為光刻膠。

在本發明的一實施例中，所述螺旋相位板和所述針尖的材料折射率的范圍為1.5～1.62。

在本發明的一實施例中，所述光纖包括石英玻璃光纖。

在本發明的一實施例中，所述光纖的直徑為100～150μm。

本發明的另一方面還提出了一種渦光光纖探針的制備方法，包括如下步驟：準備光纖，并去除所述光纖中間段的涂覆層，以使所述光纖在所述中間段呈現裸纖；對呈現所述裸纖的所述中間段進行拉錐，以得到具有基體和與所述基體連接的過渡區的經拉錐光纖；對所述經拉錐光纖的所述過渡區進行切割，以在所述過渡區形成圓臺；以及根據預設3D打印參數，在所述圓臺上打印螺旋相位板和針尖，以得到所述渦光光纖探針。

在本發明的一實施例中，制備方法還包括：在有限元仿真軟件中對于所述螺旋相位板和所述針尖進行3D建模，以得到所述預設3D打印參數；以及將已形成所述圓臺的經拉錐光纖放置在飛秒激光3D光刻儀器中，并根據所述預設3D打印參數在所述圓臺上打印螺旋相位板和針尖打印。