（凝聚态物理专业论文）光波导近场光学显微检测关键技术研究.pdf

硕士学往论文 m a s r s1 卸皤i s 摘要 光波导的近场光学显微检测是近年出现的一种新型检测技术，本文对此技 术进行了初步的理论和实验研究。对近场光学显微镜而言，光纤探针制备与探 针一样品间距控制是保证成像质量的两个关键因素。在光纤探针制作方面，本 论文提出了一种变温腐蚀制备光纤探针的新方法，获得了3 5 5 2 度的大锥角光 纤探针；进一步对光纤探针腐蚀成形过程进行定量研究，发现当光纤直径腐蚀 减小到一定程度以后，腐蚀速度随直径变小而加快；通过对多次实验结果进行 拟合，得出了光纤直径随腐蚀时间变化的定量经验公式；借助该经验公式从理 论上定量模拟了变温法获得大锥角针尖的过程。在探针一样品间距控制技术方 面，分别对超声共振法和双压电晶片法进行了实验研究，设计加工了一个超声 共振法分时驱动检测电路，采用锁相检测技术测量了不同长度的双晶片的共振 峰，得到了双压电晶片共振振幅随探针样品间距减小的变化曲线。为了检测 大尺寸光波导，搭建了一套大范围近场光学显微镜，其检测范围可达到8 0 r a m x 8 0 r a m ，并测量得到了光波导表面的光强随探针样品间距变化曲线。最后用有 限差分束传播方法模拟了不同入射角度时条形光波导中光场的传播，数值结果 与光线法一致。 关键词 光波导近场光学显微镜光纤探针有限差分束传播方法 a b s t r a c t t h et h e s i sm a d eap r i m a r yi n v e s t i g a t i o no nt h em e a s u r e m e n to fl i g h t f i e l d d i s t r i b u t i o no fo p t i c a lw a v e g u i d e su s i n gs c a n n i n gn e a r f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p e ( s n o m ) 。at e c h n i q u e t h a th a se m e r g e d r e c e n t l y s t u d i e so n t h em e t h o d sf o rf i b e rt i p f a b r i c a t i o na n dt i p s a m p l ed i s t a n c ec o n t r o l l i n g w h i c ha r ev i t a lf o rh i g hq u a l i t y s n o mi m a g i n g ，w e r et h er e s e a r c hf o c u so ft h e f i r s t p a r t o ft h et h e s e s - a v a r y i n g - t e m p e r a t u r ee t c h i n gm e t h o df o r f i b e rt i pp r e p a r i n gw a sp r o p o s e d ，w i t h w h i c hf i b e rt i p sw i t hc o n ea n g l ea sl a r g ea s3 5 - 5 2d e g r e ec o u l db er o u t i n e l ym a d e t oe x p l o r et h em e c h a n i s mo fv a r y i n g t e m p e r a t u r em e t h o dt h ec h a n g i n go ft h e d i a m e t e ro faf i b e r d u r i n ge t c h i n gp r o c e s s w a s c a r e f u l l y m e a s u r e da n da n e x p e r i e n t i a l f o r m u l aw a sf o u n d i tr e v e a l st h a tt h ee t c h i n gr a t eo ff i b e rk e e p s c o n s t a n tu n t i lt h ed i a m e t e rr e d u c e st oac e r t a i na m o u n t ，w h i c he x p l a i n e dt h el a r g e c o n e a n g l e o b t m n a b l ew i t hv a r y i n g t e m p e r a t u r em e t h o d n e x tu l t r a s o n i c a n d b i m o r p hm e t h o df o rt i p s a m p l ed i s t a n c ec o n t r o lw e r et e s t e d a ne l e c t r o n i cc i r c u i t b a s e do n t i m e s p l i t t i n g s c h e d u l e ，w h i c h d r i v e sa n ds e n s et h e t u n i n g f o r k a l t e r n a t i v e l yw a sc o n s t r u c t e d t h er e s o n a n tf r e q u e n c i e so fb i m o r p h so fd i f f e r e n t l e n g t h sw e r em e a s u r e dw i t hal o c k i na m p l i f i e n t h er e l a t i o no fa m p l i t u d eo f b i m o r p h sv i b r a t i o n 、v i t l lt i p - s a m p l ed i s t a n c ew a se x p e r i m e n t a l l yd e t e r m i n e d a s n o mw i t has c a n n i n ga r e aa s l a r g e a s8 0 m m 8 0 m mw a sc o n s t r u c t e df o r m e a s u r e m e n to fw a v e g u i d e sw i t hl a r g ed i m e n s i o n t h ev a r y i n go fl i g h ti n t e n s i t y a b o v ea no p t i c a lw a v e g u i d eu i t ht h et i p - s a m p l ed i s t a n c eh a sb e e nm e a s u r e du s i n g t h es n o m f i n a l l yt h et h e s e sc a r r i e do u tan u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo p t i c a lf i e l d p r o p a g a t i o n i nt h ep l a n a rw a v e g u i d ew i t hf d b p mm e t h o d k e y w o r d s ：o v f i c a lw a v e g u i d e ，s n o m ，f i b e rt i p ，f d - b p m 第一章绪论 l ，1 集成光学 伴随着计算机技术与i n t e r n e t 网络的飞速发展，当今社会对信息的需求不 断增加，人们越来越要求高速率、大容量、高质量的信息传输。为满足现代信 息通讯等应用领域的需求，光通信网络正朝着全光网络方向发展，其中光集成 器件正得到目益广泛的应用。 集成光学的概念是s e m i l l e r 在1 9 6 9 年提出来的。用传统的光学回路实 现光信号分路、合成及转换等需要在一个光具座上排列透镜、反射镜、半透镜 等一系列光学器件。m i l l e r 设想用以光波导为核心的固体回路实现上述功能， 把1 m 长的光具座上的光路缩短到1 c m 以内，这在当时是一个划时代的方案。 稍后s s o m e k h 和a y a r i v e 于1 9 7 2 年提出了在同一半导体衬底上同时集成光器 件和电子器件的构想【2 】，即光电集成。集成光学系统或光集成芯片与传统光学 器件系统相比，具有体积小、质量轻、结构紧凑坚固、抗干扰能力强、稳定可 靠、寿命长，成本低、适宜大批量生产等优点。 时至今b ，集成光学已经历了近四十年的发展历史，建立了自己的理论体 系、实验方法和工艺手段，并取得了大量辉煌的研究成果。目前，集成光学元 件已在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用。图卜1 简单概述了些常见光集成器件与光集成芯片的发展方向。类似于大规模集成 电路芯片，光集成芯片向大规模发展包括两个方面的涵义，一方匝是单块芯片 上所集成的单种光器件数目的增加，如从集成有十多个器件的p d 阵列、l d 阵 列到集成有上百甚至更多器件的矩阵式光开光阵列，这些功能单一的芯片可类 比于集成电路中的存储器，如d r a m 。光集成芯片的另一发展方向是把更多不同 种类的光器件集成在一块芯片上，以实现多种功能的集成，如调制器集成光源， 光传输接收组件等，这可类比于集成电路中的c p u m c u 。单纯器件数目或种类 的增加，还不足以满足光通信网络发展的需要。随着密集波分复用解复用技 硕士学往论文 m a s 取s 订珥豇s 图1 1 光集成的两个方向和主要光集成器件 术( d w d m ) 的发展，特别是全光网络的发展，需要在网络节点实现全光交换， 以克服电交换所存在的“电子瓶颈”，这就需要更复杂的光集成芯片，即需要 同时提高单块芯片上所集成的光器件的数目与种类。但目前光集成芯片的发展 水平与大规模集成电路芯片的发展水平相比，无论在集成规模还是功能上还相 差较远，还不能满足全光网络发展的需要，因此需要大力发展新型光集成器件， 研究新型光波导材料，开发新型制作、检测工艺。 1 2 光波导 集成光学的基础是光波导。光波导在集成光学中的作用相当于集成电路中 的导线，而且不仅仅如此，因为光波导不仅在不同器件之间传递光波场，它本 身还是光器件的一个重要组成部分，对于光器件实现特定的功能起到重要作 硕士擎往论文 m 格1 日t s1 1 e s 培 用，光波导的损耗、偏振相关性、模场分布等最后都直接决定着的器件的整体 性能。因此几十年来，光波导材料、制作工艺、检测技术与理论模拟分析等 直是光集成技术中的研究重点。 光波导的分类方法有很多种。从结构上可分为平板光波导、条形光波导、 圆波导等，两条形光波导还可进一步分为脊型光波导、埋沟型光波导等；从折 射率分布上可分为阶跃型光波导、渐变型光波导、三层或更多层光波导、对称 与非对称光波导等；从光场模式分布上可分为单模光波导、多模光波导等，还 可进一步材料和从制作工艺等方面对光波导进行分类。 平板光波导的几何形状简单，也是比较常用的介质光波导，图1 2 给出了 个简单的平板光波导的结构示意图，它由三层折射率不同的材料组成。其中 折射率为r l f 的薄膜夹在折射率较低的衬底和覆盖层之间，其折射率分别记为 n s 和m ，一般n f n a - - n 。薄膜的厚度h 一般为微米量级，可与光波长相比较。 如果n s = n 。，则称该波导为对称波导，反之则称为非对称波导。由于光在薄膜 一衬底和薄膜一覆盖层的分界面上发生全内反射，因而光波被限制在波导薄膜 层中传播。 图i - 2 平板光波导横截面 光波导的形状、尺寸、折射率不同，光波导内的光场分布也不同。分析光 波导器件的理论方法有很多，常见的解析分析方法有光线光学理论分析法，电 磁理论分析法、有效折射率法、微扰法、变分法、w k b 法等，这些解析分析 方法可近似的分析出光波导器件中的本征模式。由于解析法只能求解少数规则 3 的电磁问题，在现代电磁场工程中由于问题的复杂性，要求得封闭形式的解析 解已经不可能，就是半解析解的近似方法也只能在个别问题中得到有限的应 用，其实电磁场的模场模场分布一类的问题，我们完全可以不用求解析形式的 表达式，而只需得到其分布的数值结果即可，即直观又具体。所以6 0 年代以 来随着电子计算机技术的发展，各种各样的数值计算方法应运而生，如有限元 法( f i n i t ee l e m e n t ，f e ) 1 3 】、时域有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i n ， f d t d ) 4 、有限差分束传播方法( f d b p m ) 1 5 1 等等。 由于材料与制作工艺的限制，实际光波导不可能与理论设计严格一致。无 论是对器件的初期研发，还是对大规模生产中的质量控制，光波导实验检测对 控制器件质量都具有重要意义。光波导检测包括很多方面，如折射率分布检测， 损耗检测( 包括由于材料吸收与散射引起的材料损耗，由于波导弯曲引起的辐 射损耗等) 、制作尺寸误差与微观缺陷检测、端面与表面( 或侧面) 二维模场分 布检测、偏振相关性检测以及其他一些光电、电光特性检测等。 1 3 近场光学显微镜及其应用 传统光学显微镜是显微镜家族里最年长的成员，迄今已有几百年的历史， 它曾经是观测微小结构的唯一手段。随着当今高新技术的发展，科学技术的研 究对象逐渐向微小尺度研究方向发展，人们对相应的显微技术提出了更高的要 求。传统光学显微镜由于受到a b b e 衍射极限的限制，它的极限分辨率只能达 到成像光波长的二分之一左右而不能再高。 在8 0 年代，以扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，s t m ) 忡j 为代表的扫描探针显微镜( s c a n n i n g p r o b em i c r o s c o p e ，s p m ) 的出现，给显微技 术带来了革命性的发展，它使空间分辨率提高到纳米量级。最早出现的s t m 要求样品导电，对于样品的限制很大。随后在8 0 年代中期出现的原子力显微 镜( a f m ) 能够观察导体、半导体以及绝缘样品，对样品的限制大为降低。从8 0 年代中期开始，以s t m 、a f m 为基础，发展出了磁力显微镜( m f m ) 、静电力 4 显微镜( e f m ) 、摩擦力显微镜( l f m ) 、光子扫描隧道显微镜( p h o t o ns c a n n i n g t u n n e l i n gm i c r o s c o p e ，p s t l v d 等三十多种各种不同类型的扫描探针显微镜，这 些技术使我们对样品表面物理特性的观测手段更加丰富。其中p s t m 以及同时 发展起来的扫描近场光学显微镜1 ( s c a n n i n gn e a r - f i e l do p t i c a lm i c r o s c o p e ， s n o m ) 采用近场扫描成像原理，能在纳米尺度探测样品的光学信息，使光学成 像的分辨率突破了瑞利衍射极限的限制，将光学分辨率提高了几十甚至上百 倍。 在众多显微镜技术飞速发展的今天，扫描近场光学显微镜以其独特的优点， 成为科学工作中不可替代的重要工具。相对于扫描电子显微镜s e m ( s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 和s t m 等技术以电子为信息载体，扫描近场光学显微镜技 术则以光子为载体。光子没有静止质量也不携带电荷，容易聚焦和改变方向甚 至偏振状态；可以在大气中及许多其它介质中传播，并且在与样品作用中不易 造成对样品的损伤，对样品的限制极少，对样品的形态、导电性甚至生物活体 都没有要求；对观察环境也没有真空和温度的严格限制。此外，许多样品都可 以通过吸收、散射、反射、折射、偏振和光致效应等与光发生作用来揭示样品 丰富的物理、化学性质和变化。正是基于上述优点，扫描近场光学显微镜在物 理、化学、材料科学、生命科学、光学微加工以及光谱测量等诸多领域里的得 到了日益广泛的应用 8 q o l ，在纳米尺度光学成像，纳米尺度光学微加工与光刻， 磁光畴与超高密度磁光存储器件】，量子器件 1 2 1 、纳米材料、微腔激光器的纳 米局域发光与光谱，生物样品的原位与动态观察等不同领域中取得一系列研究 成果。例如近场光刻技术可以便信息存储密度达到的超高密度【l ”，有可能成为 下一代的信息存储方式；与近场光谱结合，尤其是低温条件下，已经观察到量 子限阈条件下半导体量子点，量子线的不同本征发光光谱【1 4 】：在生命科学中的 应用更是引人注目，如单个染色体的观察与荧光谱，d n a 的排序以及一些生物 体系的原位、动态观察【1 5 l 。在近场条件下还观察到新的物理现象，如激光诱导 的近场区域介电探针与样品之间的吸引力相互作用。 光波导表面隐失场分布的测量是近场光学显微镜的一个崭新且重要的应 用【1 6 j 。在光波导中，光波场主要集中在光波导的芯层，离开芯层以后，光波场 以指数衰减，对于隐失场中的光波场我们无法用一般的显微镜观察到。而近场 5 光学扫描显微镜通过放置在隐失场中的针尖可以检测到隐失场，同时由于光纤 探针的直径在几十纳米左右，可以以小于波长的超分辨能力检测光波导表面的 近场光强分布。同时该方法对波导没有破坏性，样品不需要特别准备。 1 4 本文的主要内容 光集成技术与近场光学是目前国际上的研究热点，也是本实验室的重要研 究方向。本实验室曾于9 0 年代初研制了国内首台光子扫描隧道显微镜，近期 又在光集成器件研究方面取得突破。本文首先对实验室现有一台p s t m 进行拓 展改造，措建了一套大范围s n o m ，对其中针尖样品间距控制技术与针尖制 备技术进行了详细探讨，然后利用该s n o m 对光波导表面近场光强分布进行 了检测，并进行了相应的理论分析与讨论。本论文具体内容安排如下： 第一章，绪论：主要介绍了集成光学与光波导的基本概念，以及近场光学 显微镜及其应用。 第二章，s n o m 关键技术研究：首先介绍s n o m 的工作原理和仪器结构， 然后详细探讨了光纤探针的腐蚀制备技术，并提出了种新的交温腐蚀制作大 锥角光纤探针的方法：实验探讨了针尖样品间距控制中的超声共振法和双压 电晶片法，用锁相放大技术检测了光纤探针的共振曲线和共振振幅随针尖样 品间距的变化。 第三章，光波导近场光学检测法研究：搭建了一套大范围s n o m ，利用该 s n o m 检测了光波导表面近场光强的纵向分布。同时还采用f d b p m 法对光 中光场传播进行了理论模拟。 第四章，结论与展望：对全文研究结果进行了总结，并提出下一步改进研 究方向。 第二章s n o m 关键技术研究 1 9 8 4 年，瑞士苏黎世i b m 的d p o h l 等人利用微孔径作为微探针制成了第一台 近场光学显微镜i 1 ，同时，美国康奈尔大学的e b e t z i g 等也制成了用微管 ( m i c r o p i p e t t e ) 作探针的近场光学显微镜【i 引。随后，各种各样的近场光学显微 镜开始逐渐应用于表面超精细结构的光学现象观测。s n o m 通过将一个尺度为 几个到上百个纳米的探针在物体表面几十纳米以内稳定地扫描，来收集表面近 场光学与形貌信息，获得超高分辨率。本章首先介绍了s n o m 的近场工作原理 与仪器结构，然后对其中两个核心技术，即光纤探针制备与探针样品间距控 制技术进行了详细研究。 。 ， 2 1s n o m 的基本原理 s n o m 的成像原理最早于1 9 2 8 年由s y n g e 提出【1 9 】，由于微位移控制技术方 面的困难，直至8 0 年代中期才真正在实验室获得成功。扫描近场光学显微镜突 破衍射极限而呈现高分辨图像的核心在于引进了近场的概念。从历史上来看， z e n n e c k 和l 索末菲在分析金属表面趋肤效应时，最早认识了隐失场的存在，而 后f a n o 首次把金属表面的隐失场电磁模与观察到的金属光栅衍射的反常现象 联系起来。但是，引起人们对隐失场的重视进而观注近场光学及其理论是在近 场光学显微镜发明之后。 为了说明近场概念，我们对z = o 处的光波场复振幅u 。( x ，y ，0 ) 进行傅立叶 变换f 2 0 1 ，有： u ( x ，y ，0 ) - j j g o ( z ，) e x p 【2 万f ( 正工+ y ) 】职工 ( 2 1 ) 其中f 。，表示x 、y 方向的空间频率。对在z 处光波场复振幅u o ( x ，y ，z ) 进行同 样处理，有 u ( x ，y ，z ) = f f g ( 正，工) e x p 2 石f ( 正工+ y ) 】职工 ( 2 2 ) 将两式代入亥姆霍兹方程( v 2 + k 2 ) u = 0 ，k 为光波波失，可得 6 a l ，) = g o ( l ，) e x p ( 2 ；, r i - 手1 一( a ) 2 一( 五) 2 ) ( 2 3 ) 讨论：当( 五正) 2 + ( 旯工) 2 l 时， g ( 正，) = g 0 饭，) e x p ( 一2 n - 知1 一( 兄正) 2 一( 旯) 2 ) ( 2 5 ) 空间频率( & ，母) 满足的是光场低频成分，该成分光波在沿z 向正轴方向 传播过程中，只是附加了相位改变，振幅不变，因而可以远距离传播，这即是 远场光。空间频率( & ，f ) ，) 满足的是光场高频成分，该成分光波在沿z 向正轴 方向传播过程中，振幅呈指数衰减，不能远距离传播，这即是近场光，又称非 辐射场。也就是说包含物体表面微观信息的高频成分都包含在近场光中。 常规的观察工具如显微镜、望远镜及各种光学镜头均是在远处进行观察， 它们收集的是对应于物体低频成分的远场光，从这些远场信息是不能重构物体 的细节的，因而它们的分辨本领受到衍射极限的限制。近场光学显微镜之所以 能够突破衍射极限，关键在于它可以对近场光进行探测。 2 2s n o m 的仪器结构 物体的细节存在于非辐射场。要克服衍射极限就要探测非辐射场，即必须 把探头放在距离样品一个九以内。形象地说，在场尚未在传播过程中严重衰减 之前用探头捕捉它。这要求探头必须能准确放在物体表面纳米尺度而又不碰 撞。其次，由于探头与样品间距如此之近，没有任何常规的成像系统可以用来 成像，因而只能采用逐点成像的方法。即首先将纳米尺度的局部光信号收集， 将其转变为电流：或者再发射到自由空间，或者以波导的方式将其传播到探测 系统，如光电倍增管或光电二极管。最后再逐点扫描，将采集的信息合成为二 维图像。 一台典型的扫描近扬光学显微镜由探针、光电转换单元、x - y 二维扫描控 制单元、z 向反馈单元以及信号采集处理与显示成像单元等部分组成j 。其中 针尖、z 向反馈控制、x - y - - 维扫描控制，以及信号采集处理与显示戍像等与 s t m 、a f m 相似。例如都是采用压电陶瓷来精确控制探针的三维运动，通过计 算机进行数据处理与显示等。与其他s p m 不同之处在于，s n o m 探测的是光场， 而且由于光场非常微弱，一般用光电倍增管进行信号放大与光电转换。 光 图2 - 1s n o m 系统总体结构方框图 示系统 制 图2 1 给出了一台反射式s n o m 的典型系统结构方框图。它包括光学探针、 由步进马达驱动的可上下精密移动的样品台、探针扫描控制、激光光源和信号 采集处理与显示系统五大部分： 在s n o m 中光纤探针的制作与针尖t 羊品( t i p s 锄p l e ) 间距控制是两个关 键技术。 9 2 3 光纤探针的变温腐蚀制备法实验研究 光纤探针作为s n o m 的一个重要组成部分，是决定整个系统分辨率的一 个关键因素。为了获得高分辨率，要求针尖前端曲率半径尽可能小，但针尖越 细，光信号在光纤探针尖端过渡区的衰减越大，n o v o m y 等人【2 2 】的理论计算表 明，锥角在3 0 5 0 4 的探针可以同时满足光的高传输效率和高光学分辨率的要 求。另外光纤探针在实际的使用过程中很容易受到损坏和污染，需要经常更换， 因此如何重复、可靠地大量制备在尖端曲率半径、锥角形状等方面符合要求的 光纤探针是s n o m 应用中的一个重要课题。 光纤探针的制作方法一般有热拉伸法与化学腐蚀法。热拉伸法是使用功率 较大( 约2 5 w ) 的二氧化碳激光器作为热源，在加热使光纤熔融的同时在光纤的 两端施加一定的拉力，把光纤拉断，形成针尖结构。热拉伸法法生产周期短， 受环境影响小，顶端曲率半径可以达到几十纳米。但是由热拉伸法制出的光纤 由于探针尖端锥角小1 2 ，过渡区细长，传光效率不是十分理想。传统的化学腐 蚀法一般在同一温度下进行，锥角般在1 5 3 5 。之间。本文提出了一种新的 光纤探针变温腐蚀制备法，可以获得更大锥角的针失，下面将从理论和实验两 个方面对该方法进行探讨。 2 3 1 实验装置 本文所采用的针尖制备装置如图2 2 所示。为了在制备过程中实时快速调 节腐蚀液温度，这里采用了a 、b 两个水浴池，其中a 为装有室温自来水的普 通容器，b 为江苏通济仪器厂生产的h h 1 型号的恒温水浴池，可以实现o 1 0 0 的恒温。 实验中采用的腐蚀液是浓度为4 0 以及经过进一步浓缩处理的氢氟酸 ( h f ) 。h f 装在透明度较好的塑料瓶中，以便观察针尖腐蚀进程。同时为了迅 速调节腐蚀液温度，塑料瓶的直径不宜太大。h f 的上方再注入一层异辛烷作 为密封层，异辛烷与h f 互不相溶，同时它的比重比h f 小，浮于h f 上方， 形成一个突变界面，阻止i - i f 由于表面张力向液面上的光纤扩散，导致光纤探 1 0 硕士学位论文 m s n 弧s 珏s 玲 图2 - 2 装置结构示意图 支架 光纤 塑料瓶 异辛烷 氢氟酸 水 针锥角变d - , 1 2 4 1 。实验中选用单模石英光纤，光纤的外径为1 2 5um ，芯层约为 91 ti n 。实验时首先剥去光纤的护套和保护层。使裸露段长度约为1 0 m m 左右， 并用无水乙醇清洗干净。然后固定在光纤支架上，将光纤的端部插入腐蚀液面 下少许( 约5 r n n a ) ，同时调节光纤架使光纤垂直于液面。 2 3 2 实验结果与讨论 为了观察比较腐蚀温度对光纤针尖锥角的影响，我们采用三种不同温度条 件来制各光纤探针。 a 、由高到低变温腐蚀：将容器b 调至3 5 恒温，然后将装有腐蚀液的塑 料瓶置于容器b 中。腐蚀数分钟后，将置于容器b 中的塑料瓶换置于装有冷 水的容器a 中( 水温1 5 ) 。再经过十几分钟的腐蚀，在光纤与h f 溶液表面的 交界处形成光纤针尖，针尖典型形状如图2 3 所示。将腐蚀后的光纤探针在去 离子水中清洗以去掉光纤表面的残留酸液，晾干后变得到成品光纤探针，这时 光纤探针的尖端曲率半径可保持不变，置于干燥器中能长期保存。 b 、由低到高变温腐蚀：首先将光纤放在容器a 中腐蚀( 水温15 c ) ，然后 再放在容器b 中腐蚀( 水温3 5 ) ，所制各的光纤针尖典型形状如图2 4 所示。 c 、恒温腐蚀：作为对比，按照一般的化学腐蚀法，在腐蚀过程中不改变 腐蚀液的温度。我们用恒温水浴池做了1 5 c 和3 5 两种温度下的恒温腐蚀， 得到的光纤探针典型形状分别如图2 5 和图2 - 6 所示。 从图2 - 3 2 - 6 可以看出不同温度条件下所腐蚀制备的光纤探针的形状结构 硕士学位论文 m ! t 孤s 订璃s 珞 参数是不同的。表2 1 列出了上述3 种温度条件下腐蚀制备的光纤探针的锥角 大小。 从图2 5 和图2 - 6 可以看出，采用恒温腐蚀法，在1 5 时腐蚀制各的光纤 探针锥尖较长，锥角只有1 7 。，在3 5 v 时腐蚀制备的光纤探针锥尖较短，锥 角较大有3 2 。在变温条件，当由高温到低温腐蚀制备的针尖又细又长，如图 2 ，3 所示，锥角只有1 3 。，但是如果先在低温中腐蚀，再在高温中腐蚀，就可 以得到大锥角、短锥尖的探针，如图2 _ 4 ，针尖锥角达到5 9 。，这种针尖对s n o m 扫描成像时同时获得大信号与高分辨率非常有利。 表2 1变温和恒温腐蚀下光纤探针锥角的大小 变温变温 恒温恒温 不同温度 ( 3 5 1 5 ) ( 1 5 3 5 ) 1 5 恒温3 5 恒温 锥角大小 1 2 。一1 6 。4 5 。一6 0 。1 4 。一2 0 。 2 8 。一3 5 。 卜西冗一 图2 - 3 由高到低变温腐蚀法制备的光纤针尖的光学显微镜照片 硕士攀幽电文 m a s 仍l s1 l m s 塔 图2 - 4 由低到高变温腐蚀法制备的光纤针尖的光学显微镜照片 图2 5 在恒温15 度条件下腐蚀的光纤针尖的光学显微镜照片 图2 - 6 在恒温3 5 度条件下腐蚀制备的光纤针尖的光学显微镜照片 为什么用低温到高温的变温腐蚀法可以得到大锥角的针尖呢? 为了寻找 其成形机理，我们在的变温腐蚀过程中，在针尖将要成型之前把光纤拿出来， 观察到了如图2 7 所示的针尖形状。 图2 7 由低到高变温腐蚀制备过程中针尖的光学显微镜照片 我们知道光纤针尖腐蚀速度取决于石英光纤与腐蚀液发生化学反应的速 度，而这一速度与温度和腐蚀液浓度有关。这里所指的腐蚀液浓度是与石英光 1 4 硕士学拉论文 m s 弧s1 1 珏s 玲 纤发生接触，即石英光纤周围一个薄层内腐蚀液的实际浓度，而不是塑料瓶中 腐蚀液的整体浓度。随着腐蚀的进行，石英光纤周围的腐蚀液浓度要低于腐蚀 液的整体浓度，如果腐蚀液扩散速度越快，石英光纤周围的腐蚀液浓度与腐蚀 液的整体浓度的差异就越小。在光纤探针直径大的地方( 在极限条件下可以想 象光纤探针直径无穷大，即为一个平面) ，较高浓度腐蚀液的扩散、补充主要 来源于与光纤探针表面垂直的径向方向，而在光纤探针直径小的地方( 在极限 条件下可以想象光纤探针直径无穷小，即为一根线) ，较高浓度腐蚀液的扩散、 补充来源于几乎3 6 0 度范围内。这样，光纤探针直径越大的地方，腐蚀液浓度 越低，腐蚀速度越慢，而光纤探针直径越小的地方，腐蚀液浓度越高，腐蚀速 度越高。因此如果在高温制各光纤探针前，先在低温下腐蚀形成一定锥角，此 锥角在高温下腐蚀会进一步增大，图2 7 正好反应了这一过程。从图中可以看 出针尖后端的腐蚀速度要远远低于前端腐蚀速度，锥角变化非常明显。相反， 如果把高温下腐蚀成形的光纤探针，在低温下继续腐蚀，由于在温度较低时， 腐蚀液扩散速度整体较慢，在光纤探针直径大的地方和直径小的地方，腐蚀液 浓度差异减小，因此探针锥角反而会减小。 2 3 3 光纤探针腐蚀过程的理论模拟 上节定性分析从低温到高温的变温腐蚀法制作大锥角光纤的原因时，我们 指出它是由于光纤针尖腐蚀速度随光纤直径减小而加快造成。本节我们将定量 测量光纤针尖腐蚀速度与光纤直径的函数关系，实验装置如2 2 图。腐蚀液采 用经过浓缩处理的原始浓度为4 0 的h f ，在测量时保持腐蚀液温度为3 5 ， 每隔一定时间将光纤取出，在显微镜下拍摄其图像，根据图像测量其直径。我 们详细测量了一根长光纤在腐蚀过程中直径随时间的变化，一共测量了四组数 据，然后作出直径时间函数曲线。我们分四次测量拍摄了各不同时刻光纤的 光学显微照片，图2 8 给出的光学显微照片是其中的一组，实验测量数据见表 2 2 。 图2 - 8 光纤被腐蚀时不同时间的光学显微照片 表2 2 经过不同腐蚀时间后的光纤直径 ￥向们 实瓤朱36 9 l o 1 21 51 71 81 9 2 0 2 12 2 次数、m ) 第一次 8 97 05 91 95 第二次 t9 l7 46 35 64 72 8 第三次 9 27 66 8 6 46 15 6 4 32 0 第四次 1 1 5 1 0 79 58 57 46 55 85 13 9 根据所得的实验数据，我们绘出了光纤直径随时问变化的曲线图，如图2 - 9 所示。图中四条曲线代表四次测量所得，其中的数据点均用不同的标记表示出 来。 e j ￥ 旦 e 坚 凸 02 4681 0 1 21 41 61 8 2 02 22 4 t i m e ( m i n ) 图2 - 9 光纤直径和腐蚀时间曲线 从图2 - 9 可以看出，当光纤直径大于一定值f 大约为t = 】7 分钟所对应的直 径，即大约6 0 u r n ) 时，光纤的腐蚀速度恒定，当小于这一值时，光纤开始以非 线性的速度腐蚀。直径越小腐蚀速度越快，大约在2 3 分钟左右腐蚀完毕。 我们对第二次实验得到的曲线，用m a t h e m a t i e a 软件进行拟合，得到如 下分段拟合函数： f 1 2 5 1 3 3 3 7 t0 f 茎1 7 讲巾 1 9 5 1 旷一丁7 2 7 x 1 0 7 一1 0 2 7 x i 0 7 + 5 9 3 x 1 0 6 2 ( 2 6 ) j + 1 5 5 x 1 0 6 ，一1 9 0 8 0 7 o l x t 3 n + 9 1 2 5 9 3 t 21 7 一a b 01 02 03 04 05 06 0 7 08 09 01 0 0 f r e q u e n c e ( k h z ) 图2 2 3 粘光纤探针之前和之后双晶片的共振曲线 选取共振曲线的第一个共振频率作为正弦激励信号的频率，用锁相放大器 输出2 1 0 3 5 k h z 频率的正弦信号为激励信号。用步进马达驱动针尖逐渐逼近样 品表面，当检测出振幅的变化时，停止马达。进一步用压电陶瓷管驱动针尖线 性精密地逼近样品表面，测量振幅信号随针尖样品间距的变化，测量结果如图 2 2 4 所示。在图2 2 4 中，a 段平坦区表示自由振动，b 段急速下降区表示剪切 力作用区域。由该曲线看出，当振动着的针尖进入近场区后，由于受到剪切力 影响使振动的振幅下降。图中有一段明显的线性区，利用该段曲线进行反馈控 制即可实现探针样品间距精确控制。 2 r 捣嚣n笠侣幅住会|： o 0 0 0 o o 0 o o 0 0 0 o o o o 9 刁 o 4 03 0 2 01 0o d i s t a n c e ( n m ) 图2 - 2 3 双晶片的接近曲线 第三章光波导近场光学检测法研究 采用近场光学显微镜对光波导进行检测是近年来出现的一项新技术p ”，它 充分利用近场光学显微镜对隐失场的高分辨成像能力来实现对光波导表面波 场分布的检测。由于压电陶瓷的伸缩能力有限，近场光学显微镜的扫描范围通 常在1 0 1 0 0 u m 以内，而光波导的长度一般在厘米量级，因此本章我们首先搭 建了一台大范围s n o m ，同时为了便于实验结果分析，还对光波导内部光场分 布进行了理论模拟。 3 1 适于光波导检测的大范n s n o m 为了实现厘米级大范围扫描，同时保证纳米级横向分辨率，我们采用二 维精密运动平台加压电陶瓷的联合驱动方案。其中二维精密运动平台的行程可 达8 0 r a m ，它由步进马达驱动，步迸马达的步进角为1 8 度，即每2 0 0 步转一 圈。通过驱动电路细分，每一步可进一步细分为2 6 4 步。二维精密运动平台 的丝杆螺距为0 5 m m ，这样通过细分，二维精密运动平台单步运动理论灵敏度 可达3 9 r i m 。而我们所采用的压电陶瓷管的扫描范围大约为6 um ，分辨率在 i n m 以内。图3 1 为实验装置结构示意图，图3 2 为实验装置实物照片。 我们采用上述大范围s n o m 进行光波导表面隐失场分布检测。由半导体 激光二极管发出的6 5 0 h m 的激光通过单模光纤直接耦合进入光波导，单模光纤 端面与光波导端面的对准通过6 维精密光纤调整架实现。光纤探针固定在压电 陶瓷管上，由二维精密运动平台带动压电陶瓷管做大范围运动。 3 0 硕士辈往论文 m a s l l 噩s 砸s 璐 图3 一l扫描近场光学显微镜测试光波导中光场分布示意图 图3 - 2 大范围s n o m 装置实物图 3 l 3 2 实验结果 采用上述大范围s n o m ，我们以一个平板光波导为样品，检测了光强随 探针样品间距的变化。实验中将光纡探针固定在双压电晶片上，双压电晶片 再固定在压电陶瓷管上，当压电陶瓷管上施加1 5 0 v 电压时，可以z 向伸缩 约1 3 pm 。 针尖靠近样品分粗调和细调两个环节。先用手动调节使针尖粗略靠近样品， 并用3 0 x 的放大镜监控。当间距比较近时采用步进马达驱动，并启动反馈控制， 当检测到信号略有增强时，立即停止马达。然后驱动压电陶瓷管做纳米级线性 伸缩，同时采集光强信号。实验测得的隐失场光强随距离变化的曲线如图3 - 3 所示。从图中可以看出，光强变化比较缓慢，这主要是由于背景散射光较强的 缘故。 o 5 01 0 d1 s d 2 0 0 d i a t a n c e ( n i t i ) 图3 3 光波导臆失场随距离变化曲线 潲善； 泐 蛳枷 枷伽栅姗湖m (e)joo也一8一ldo 3 3 光波导的理论模拟 束传播算法( b e 锄p r o p a g a t i o nm e t h o d ，b p m ) 具有直观、简便的优点，并 且适用于结构复杂的光波导器件，能精确地模拟光波导器件中的光场分布，是 在集成光波导器件设计中广为应用、开发的方法。它先假设光在均匀介质中传 播，前进近似光波波长的微小距离z 后再以实际介质予以纠正。这样可将波 动方程的双边值问题简化为单边值( 起始值) 问题。初始的b p m 采用f f t 进行 计算，是为f f t b p m l 3 2 】，其计算工作量较大。对大折射率台阶的光波导，z 需要更小才能使结果稳定，费机时间的问题更为突出。目前改进的方法是用有 限差分代替f f t ，是为f d ，b p m l 3 3 j 。 3 3 1f d b p m 理论模型 光在介质光波导器件中传播遵守亥姆霍兹( h e m h o l t z ) 方程，是二阶非线性 微分方程。二维光波导经常结合有效折射率( e i m ) 将二维变为一维【3 4 1 。亥姆霍 兹方程为： 丁8 2 e y ( x , z ) + 了0 2 e y ( x , z ) 一+ k 0 2 n 2 ( 工，：) q ( 工，z ) = 。 ( 3 1 ) 式中k 。= c o c 。一般假设在波导中传播的是横的平面波，波前等相位面和z 垂 直，于是 e 。( x ，z ) = e 0 ，z ) e x p ( - 业z ) ，k = n o k o ( 3 2 ) 式中为某一参考折射率，一般取覆盖层折射率。在束传播法中假设在位距 离中，光波在均匀介质中传播，该介质的折射率为。将( 3 2 ) 式代入( 3 1 ) 式 得 一等- - 2 j k o n o 誓= 等+ k o ( n 2 _ n 0 2 坶 ( 3 。) 激光束在波导中可以假设是傍轴传播的，即沿z 轴传播时没有显著发散。在这 一假设下，( 3 3 ) 式左边的二阶导数可以忽略，于是亥姆霍兹方程简化为菲涅尔 ( f r e n e l ) 方程： 2 风鲁= 等州 呐毛 ( 3 4 ) ( 3 4 ) 式右边第一项用差分式代替( 为书写方便，用f 替换e ，) ： 0 2 e 。：墨：! ! 生墨= ! 辛2 ：! 墨! 型( 3 5 ) d x 2a x 2 下标一1 ，j ，+ 1 分别代表j 方向的离散点，缸是j 方向相邻离散点间 的距离。 ( 3 5 ) 式代入( 3 4 ) 式后，并将其左右边都在( z ，z + a z ) 区间中对z 积分， 运用梯形公式后得 一鸩一1 ( z + ：) + 6 e ( z + 5 z ) 一a 巨+ 1 ( ：+ a z ) = 崛一1 ( ：) + c e ( ：) + a e , + l ( z ) ( 3 6 ) 式中a 、b 、c 均为由a z 、缸、7 、肠等组成的系数。 其中 d ：寰一 ( 3 ，6 a ) 2 血2 、 6 = 等一半( 咖圳- - 行0 2 ) + 2 鼬。 ( 3 6 b ) 一寿+ 字2 确2 ) + 2 加。 ( 3 6 c ) ( 3 6 ) 式可以看成是关于未知数：+ 止处的光场e ( z 十a z ) 的线性方程组，而且此 方程组是一个三对角方程绢，可用追秆法求解。 3 3 2 条型波导的模拟分析 以条波导为例，假设其宽为2 0 m ，长o 4 c m 。把等效后的条型波导按图3 _ 4 所示划分网格，x 方向的步长缸取0 2 , u r n ，a z 方向的步长血取1 o a m ，边界 条件采用简单透明边界条件f r b c ) 。 z l2 1 0 l x - - - - - - - - - - - - - - - - - + 图3 - 4 网格划分示意图 杂 l 缸 lr 4 = 1 5 ，( f 3 0 ) 波导折射率分布取值为： 他= 1 5 0 3 ，( 3 1 i 茎7 1 ) l n 3 = 1 5 ，( 7 2 i 1 0 1 ) 波长丑= 1 5 u r n ，= 4 1 8 8 x 1 0 6 ，n o = 1 5 当用高斯型光场垂直端面入射，即e = p