（光学工程专业论文）一维微纳结构的近场光学表征及应用.pdf

摘要 一维微纳米材料由于其新颖的物理、化学和生物学特性以及在微纳米器件中 的潜在应用，成为当今微纳米技术的研究热点。目前，直径均匀，表面质量高， 机械性能好的微纳光纤、半导体纳米线、金属纳米线已经能够通过相对简便的方 法制备出来。上述一维微纳材料能够将光约束在亚波长尺度传输，并且在光传输 过程中，表面存在较强的倏逝波。这些性质使它们有利于作为亚波长尺度光波导 而应h j 于微纳光予学领域。而在微纳光子学器件中，微纳结构间的光相互作用一 般发生在光波长范围内，即光学近场区。因此，近场光学成为微纳结构光学性质 研究的一个重要内容。本论文即针对一维微纳结构的近场光学特性进行实验研 究。 一般情况下，一维微纳材料难以通过直接生长方法制备成器件所需的结构。 因此，如何对生长出的微纳光纤纳米线进行微纳操纵，就成为微纳光子学器件 制备过程中的关键技术之一。本文介绍了一种使用三维微纳调节架控制探针操纵 微纳光纤纳米线的方法。该方法具有装置简单，控制精确，功能性强等特点， 是一维微纳材料操纵的一种简便而有效的方法。 由于微纳结构表面存在较强的倏逝波，倏逝波的分布与微纳结构的导波特性 和光相互作用直接相关，因此，对倏逝波的探测就成为微纳结构光学性质研究的 途径之一。然而，普通光学显微镜只能收集到远场光，无法直接探测倏逝波。在 这种情况下，近场扫描光学显微镜，通过放置于样品表面的近场探针直接探测倏 逝波，成为对微纳结构光学性质研究的一种重要工具。本文第三章通过使用近场 扫描光学显微镜，在实验上研究了放置于氟化镁低折射率衬底上的氧化硅微纳光 纤表面的近场光学特性。结果表明，其单模、多模模场输出可由近场扫描光学显 微镜直接测出；光纤端面的反射光与光纤入射光干涉引起光纤表面倏逝波呈驻波 分布；两根紧贴的微纳光纤通过倏逝波进行光耦合，耦合长度在微米量级。 为提高近场信号的信噪比，本文第三章还介绍了通过腐蚀近场探针的镀铝 层，得剑未镀铝的近场探针针尖，然后使用腐蚀过的近场探针测量微纳光纤表面 的倏逝波分布，并与镀铝的近场探针测得的结果进行了对比。得出，腐蚀过的近 场探针在结构表面起伏较大时，虽然有“边缘效应 的存在，然而主要实验数据， 如耦合长度等仍然与镀铝探针相等，因此使用未镀铝层的近场探针是提高信噪比 的一种有效方法。 传统的表面等离子体波导的激发方式，主要采用棱镜耦合或物镜聚焦的方式 激发。这些方法都需要棱镜或物镜等宏观光学元件，从而限制了器件的整体尺寸 和集成度。针对上述问题，本文第四章提出了一种将银纳米线放置于激光二极管 出光面，在激光二极管表面近场区直接对银纳米线进行表面等离子体激发的方 法。该方法的主要优势在于，实现了光源( 激光二极管) 与表面等离子体波导( 银 纳米线) 的直接芯片式集成，从而有望减小器件尺寸、提高整体集成度。同时， 还测量了这种激发方式下，银纳米线输出光随偏振态、银线放置角度的变化关系， 研究了银纳米线输出的增强方式，中部激发，多根同时激发，其它波长激发等现 象，获得了良好的结果。这种芯片式激发方式为表面等离子体波导与光源的高度 集成以及光子学器件的微型化提供了新的契机。 关键词：近场光学近场扫描光学显微镜微纳光纤银纳米线表面等离子 体激光二极管 a b s t r a c t o n e - d i m e n s i o nm i c r o n a n om a t e r i a lh a sb e c o m eo n eo ft h ef o c u s e si n m i c r o n a n o t e c h n o l o g yd u et oi t sn o v e lp h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o p e r t i e s r e c e n t l y , m i c r o n a n o f i b e r s ( m n f s ) ，s e m i c o n d u c t o rn a n o w i r e sa n dm e t a ln a n o w i r e s h a v eb e e nf a b r i c a t e do rs y n t h e s i z e dw i t hu n i f o r md i a m e t e r s ，s m o o t hs u r f a c e sa n d g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s u s i n gt h e s em i c r o n a n om a t e r i a l s ，l i g h tc a nb eh i g h l y c o n f i n e do ns u b w a v e l e n g t hs c a l ew i t hs t r o n ge v a n e s c e n tf i e l d sp r o p a g a t i n gi nv i c i n i t y o ft h ew i r es u r f a c e s ，m a k i n gt h e ms u i t a b l ef o rs u b w a v e l e n g t ho p t i c a lw a v e g u i d i n gi n p h o t o n i ca p p li c a t i o n s i nm i c r o n a n o p h o t o n i cd e v i c e s ，t h eo p t i c a li n t e r a c t i o n sa m o n g m i c r o n a n o s t r u c t u r e su s u a l l yo c c u ri ns u b w a v e l e n g t ha r e a ( s oc a l l e d “n e a r - f i e l d ” r e g i o n ) t h e r e f o r e ，n e a r - f i e l do p t i c si sp r o v e nt ob eo n eo ft h ek e yp o i n t si ns t u d y i n g o p t i c a lp r o p e r t i e so fm i c r o n a n o s t r u c t u r e s i nt h i sa r t i c l e ，t h en e a r - f i e l dp r o p e r t i e so f o n e d i m e n s i o nm i c r o n a n o s t r u c t u r e sa r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d n o r m a l l y , t h ea s - s y n t h e s i z e do n e - - d i m e n s i o nm i c r o n a n om a t e r i a l sd on o td i r e c t l y f u n c t i o n a l i z ea s p h o t o n i cd e v i c e s t h u s ，t h em a n i p u l a t i o no ft h ea s s y n t h e s i z e d m i c r o n a n om a t e r i a lh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s s e si nd e v i c e f a b r i c a t i o n i nt h i s a r t i c l e ，w ei n t r o d u c eas i m p l ea n de f f e c t i v ea p p r o a c hf o r m i c r o m a n i p u l a t i o no fm n f sa n dn a n o w i r e s a ss t r o n ge v a n e s c e n tw a v e se x i s t e di nv i c i n i t yo ft h em i c r o n a n o s t r u c t u r e s d i r e c t l yr e f l e c tt h e w a v e g u i d i n gp r o p e r t i e sa n do p t i c a li n t e r a c t i o n ，e v a n e s c e n tw a v e d e t e c t i o nb e c a m ead i r e c tm e t h o df o r i n v e s t i g a t i n go p t i c a lp r o p e r t i e s o f m i c r o n a n o s t r u c t u r e s h o w e v e r , e v a n e s c e n tw a v e sc a nn o tb ed e t e c t e db yf a r - f i e l d o p t i c a lm i c r o s c o p e i nt h i sc a s e ，n e a r - f i e l ds c a n n i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ( n s o m ) ， u s i n gaf i b e rp r o b ei nv i c i n i t yo ft h em i c r o n a n o s t r u c t u r et od e t e c te v a n e s c e n tw a v e s ， b e c a m ea ni m p o r t a n tt 0 0 1 i nc h a p t e r3 ，u s i n gac o m m e r c i a ln s o m ，w ei n v e s t i g a t e t h en e a r - f i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fm n f s s i n g l e - m o d ea n dm u l t i m o d eo u t p u t so fm n f s i nt h ep r e s e n c eo fas u b s t r a t ea r es t u d i e d s p a t i a lm o d u l a t i o no ft h el o n g i t u d i n a lf i e l d i n t e n s i t yn e a rt h eo u t p u te n do fas i l i c am n fi sw e l lr e s o l v e d e n e r g ye x c h a n g e v t h r o u g he v a n e s c e n tc o u p l i n gb e t w e e nt w op a r a l l e lm n f si sa l s oi n v e s t i g a t e d t oi m p r o v et h es i g n a l t o n o i s er a t i oo ft h en s o m m e a s u r e m e n t , u n c o a t e dp r o b e s a r ei n t r o d u c e d t h eu n c o a t e dp r o b e su s e dh e r ea r ef a b r i c a t e db ye t c h i n gc o m m e r c i a l l y a v a i l a b l ea l u m i n u m c o a t e d p r o b e s c o m p a r e dw i t ht h o s eo b t a i n e du s i n gc o a t e d p r o b e s ，e x c e p tt h e “e d g ee f f e c t ”，t h em a i nf e a t u r e sr e a df r o mt h en s o mi m a g e sw i t h u n c o a t e dp r o b e s ，i n c l u d i n gt h es p a t i a lm o d u l a t i o np e r i o da n dt h ec o u p l i n gl e n g t h ，a r e i na c c o r d a n c ew i t he a c ho t h e r c o n v e n t i o n a la p p r o a c h e sf o rs u r f a c ep l a s m o n ( s p ) e x c i t a t i o ni ns i l v e rn a n o w i r e s i n c l u d i n gk r e t s c h m a n ng e o m e t r ya n do b j e c t i v e f o c u s i n gr e q u i r eb u l k o p t i c a l c o m p o n e n t s ( e g ，p r i s mo ro b j e c t i v e ) ，w h i c hm a yl i m i tt h ec o m p a c t n e s so ft h e l a u n c h i n gs y s t e m i nc h a p t e r4 ，w ed e m o n s t r a t es pe x c i t a t i o ni ns i l v e rn a n o w i r e s d i r e c t l yd e p o s i t e do nt h ee m i s s i o nf a c e to fal a s e rd i o d e ( l d ) c h i p t h em a i n a d v a n t a g eo ft h i sa p p r o a c hi st h er e a l i z a t i o no fo n - c h i pi n t e g r a t i o no fo p t i c a ls o u r c e s ( l d s ) a n dp l a s m o n i cw a v e g u i d e s ( s i l v e rn a n o w i r e s ) ，a n dt h e r e f o r eg r e a t l y m i n i a t u r i z a t i o no ft h es c a l eo fs pe x c i t a t i o ns y s t e mf o rc o m p a c tp l a s m o n i ca n d p h o t o n i ca p p l i c a t i o n s t h en a n o w i r eo u t p u ti sf o u n dt ob ed e p e n d e n to nt h e p o l a r i z a t i o na n dt h en a n o w i r eo r i e n t a t i o n s i m u l t a n e o u ss pe x c i t a t i o n si nm u l t i p l e s il v e rn a n o w i r e sa n ds pe x c i t a t i o na tt h ec e n t r a l p a r to fan a n o w i r ea r ea l s o i n v e s t i g a t e d o n - c h i ps pe x c i t a t i o np r o p o s e dh e r em a yo p e no p p o r t u n i t i e sf o r r e a l i z i n gp l a s m o n i ca n dp h o t o n i cc i r c u i t so rc o m p o n e n t sw i t hh i g hc o m p a c t n e s s k e yw o r d s ：n e a r - f i e l do p t i c s ，n e a r - f i e l ds c a n n i n go p t i c a lm i c r o s c o p y , m i c r o n a n o f i b e r s ，s i l v e r n a n o w i r e ，s u r f a c ep l a s m o n ，l a s e rd i o d e 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 召奶 签字日期： 加易年哆月，f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 召韶 签字日期：铷f q 年弓月lf 日 导师签名： f 促 签字日期：加加年3 月f r 日 致谢 浙大的老校长竺可桢曾经给浙大人提出了两个问题：“来浙大做什么? 将来 要做怎样的人? ”自我拿到浙大的研究生录取通知书的一刻起，就开始思考这个 问题。时间飞逝，五年的时间如天际的流星一闪即逝。如今，在这个即将毕业的 时期，对这个问题才算有了清楚的认识。五年的时问，我换米的是这个问题的答 案： 来浙大做什么? 我学会了怎样做好一种工作，只要是我喜欢去做的。 将来要做怎样的人? 做一个工作巾具有自我办事风格，生活中健康而有情调 的人。 五年在浙大的科研工作，主要是在童利民教授的指导下完成的。在他的悉心 指导下，我学会了怎样做好科研工作；而他的处事风格，也令我感受到了如何做 一个优秀的人。这些在我将来的工作中都将是一笔宝贵的财富。在平时的科研工 作中，感谢沈永行、符建、杨青、郭冰老师，师兄姐裘燕青、蔡双双，师弟妹 李宇航、姜校顺、郭欣、王珊珊、翟高叶、潘欣云、黄克己、高淑娟、谷付星、 胡志方、戴威、陈圆、曲广媛、张奚宁等同学，以及瑞典皇家工学院的仇曼、郝 佳民、李强、田洁、严威、王静，对我提供了许多有益的帮助和有效的建议。感 谢浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，为我的研究提供了实验仪器和科研条 件。 最后，感谢养育我多年的父母，爱人王丽敏，繁忙的工作让我无暇顾及家人， 而他们的鼓励支持为我的科研工作提供了稳定的心态和更大的动力。 马哲 2 0 0 9 - 12 2 浙江大学玉泉校区 浙汀大学博士学位论文 第一章近场光学研究现状概述 第一章近场光学研究现状概述 1b 1 课题目的和意义 随着科学技术的发展，人类对微观世界的探索进入到纳米尺度( 1n m 1 0 0 0 n m ) 【l 2 】。在光学研究领域中，材料或器件的光学性质与其尺寸密切相关，当尺 度达到纳米量级时，材料或器件表现出与远场光学所区别的性质。在某些结构中， 光学现象甚至发生在几十纳米的范围内，这样的距离超出了普通光学的分辨率， 用普通光学，或者远场光学无法进行表征。由此产生了一个新兴的研究领域 近场光学【3 4 】。 近场光学主要研究亚波长尺度内光与物质的相互作用。对于可见光，这个尺 度在lg m 以内，因此，通常把近场光学与微纳米或介观光学结构联系在一起。 与处理光与宏观物体间相互作用的普通光学相比，近场光学的主要区别在于，近 场光学在处理微纳光学结构中的倏逝波( 场) 相关现象中具有特殊优势。倏逝波 ( 场) 一般存在于距离结构表面很近的范围，并且随着距离增加迅速衰减，因此， 倏逝波在远场的作用一般被忽略。而在近场范围内，倏逝波的作用不能被忽略， 尤其对于微纳结构，其表面存在很强的倏逝波，在有些情况下，倏逝波在光与微 纳结构间相互作用时甚至起主导作用。因此，倏逝波( 场) 是近场光学的主要研 究对象之一，也是近场光学区别于普通光学的主要特征之一。 本课题针对一维微纳结构的近场光学表征和应用进行研究，内容和意义主要 包括两个方面：一是使用近场光学手段，通过测量一维微纳结构表面的倏逝波， 对一维微纳结构的近场光学特征进行表征；二是基于其近场光学性质，探索一维 微纳结构在器件应用中的设计思路。 1 2 近场光学的理论研究方法 近场光学理论从物理基础来看，遵循m a x w e l l 方程组及边界条件。然而， m a x w e l l 方程组在处理复杂的边界条件时，难以得到精确解，很多情况下甚至近 浙江大学博上学位论文第一章近场光学研究现状概述 似解也很难得到。于是，近场理论逐渐发展形成了多种理论处理方法。目前常用 的有以下几种：偶极子近似法( c o u p l e dd i p o l ea p p r o x i m a t i o n ，c d a ) ，直接空间 积分法( d i r e c ts p a c ei n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ，d s i e m ) ，平面波展开法( e x p a n s i o n i np l a n ew a v e s ) ，光栅差分理论( d i f f e r e n t i a lt h e o r yo f g r a t i n g s ，d t g ) ，有限时域 差分法( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i ns c h e m e s ，f d t d ) ，多偶极子展开法( m u l t i p o l a r e x p a n s i o n ) 等1 5 1 。 1 3 近场光学的实验研究方法一近场扫描光学显微镜 1 3 1 发展历程 光学显微镜作为对微观世界的研究工具，在人类对微观世界的研究中发挥着 至关重要的作用。光学显微镜诞生以来，研究人员为提高光学显微镜的分辨率进 行了彳i 懈的努力。然而，普通光学显微镜受到衍射极限的限制，0 6 1 l n a ， 即使使用油浸物镜提高数值孔径n a ，分辨极限也只能达到大约半个光波长。 由于可见光的短波极限约为4 0 0a m ，所以很难制造出分辨率在2 0 0a m 以下的光 学显微镜。 19 2 8 年，英国科学家e h s y n g e 在( ( p h i l o s o p h ym a g a z i n e s 杂志上发表了 题为“a s u g g e s t e d m e t h o df o r e x t e n d i n gm i c r o s c o p i c r e s o l u t i o ni n t ot h e u l t r a m i c r o s c o p i cr e g i o n ”1 6 】的文章，提出了一种新型的突破衍射极限的光学显微 镜的构想，如图l - l 所示。s y n g e 建议把一块透明样品放在一块带有1 0a m 小孔 的不透明平板或薄膜卜面，光从下方照射到小孔上，透过小孔和样品后由一个光 电池接收。保持光源光强不变，以1 0n m 的步进在水平方向上对样品进行二维扫 描，并使小孔与样品的距离控制在1 0n m 以内。由于样品各点的光透射率不同， 根据光电池接收到的光强大小，可以获得明暗变化的样品图像。s y n g e 认为他所 提出的新型光学显微镜的分辨率可以达到1 0n m 。 虽然s y n g e 的这一构想限于当时的技术条件难以实现，但是，他已经提出了 当代近场扫描光学显微镜( n e a r - f i e l ds c a n n i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ，n s o m ) 较为完 整的设计思路和技术要素。主要包括：( 一) 足够强的光源；( 二) 直径约1 0n m 2 浙汀大学博士学位论文第一章近场光学研究现状概述 的小孔；( - - ) 以纳米量级精度移动样品的位移台；( 四) 将小孔与样品间距控制 在1 0n m 以内的机械电子控制系统。这四点成为以后近场扫描光学显微镜制造的 核心技术，也是当时无法实现的技术难题。 嘲川棚f j 燃，描 删太一曼。么慧凳m 栅可孔猁o n m 图卜1s y n g e 提出的新型的光学显微镜结构示意图 1 9 7 2 年，近场扫描光学显微镜首次在微波波段实现【_ 7 1 。e a a s h 和gn i c h o l l s 使用波长较长的微波，获得了超衍射极限的1 6 0 波长的分辨率。然而，由于s y n g e 提出的关键技术仍然没有解决，所以这种设计无法应用到可见光波段。随着激光 的发明和应用，以及扫描隧道显微技术的发明和成熟，强光源和纳米精度控制等 技术难题逐步得以解决。1 9 8 4 年，d w p o h l 等人在石英棒端面制备出纳米小孔， 研制成了真正意义上的的近场扫描光学显微镜，首次突破了可见光波段光学显微 镜的分辨率极限。然而，该显微镜在探针性能和探针与样品间距控制方面仍然存 在缺陷。1 9 9 1 年，e b e t z i g 等使用表面镀铝的拉锥光纤制作近场探针，得到了 高性能的近场探针【8 】。次年，该研究组通过光强的振荡变化来探测探针与样品间 的剪切力变化，从而进行探针与样品间距的反馈控制【9 1 ，该方法为探针与样品间 距控制提供了简便而可靠的解决方案。随后，商品化的近场扫描光学显微镜 a u r o r a 系列研制成功。 当代近场扫描光学显微镜的基本结构如图1 2 所示，激发光通过物镜耦合进 入普通光纤并导入近场探针。通过测量针尖在样品表面振动受到的剪切力变化进 3 浙江大学博上学位论文 第一章近场光学研究现状概述 行针尖与样品间距的反馈控制，使针尖与样品之间的距离保持在1 0n m 以内。透 射光通过物镜收集进入光电倍增管，从而得到样品表面的近场光学特征。 图1 2 近场扫描光学显微镜典型结构图 1 3 2 制作中的两个关键技术及解决方案 描台 近场扫描光学显微镜的分辨率不受限于衍射极限，而是由探针针尖的孔径和 探针与样品间距决定。探针针尖孔径直接决定照射光点面积( 透射、反射模式) 或收集光的面积( 收集模式) ，因此是近场扫描光学显微镜分辨率的决定凶素之 一。目前，可用于商用的近场扫描光学显微镜的近场探针孔径一般可达5 0 - 2 0 0 n m 。随着探钊与样品之问距离的增加，光束会变得发散，从而影响照射光点面 积( 透射、反射模式) 或收集光的面积( 收集模式) ，因此，探针与样品之间的 距离是近场光学显微镜分辨率的另一决定因素。为保证较高的光学分辨率，一般 要求探针与样品之间的距离应达到1 0n m 以内。样品的表面由其材料和结构决 定，表现出高低起伏，即具有一定的形貌，因此在扫描样品的过程中，需要负反 馈控制系统维持探针与样品之间的距离。这样，近场探针的制作和反馈系统的设 计就成为近场扫描光学显微镜制作过程中的两个关键技术。 4 第一章m * 研究规# 概连 自从1 9 9 1 年b e t z i g 研究组提出使用光纤作为近场探针的制备材料咀后【8 1 该方法被研究人员广泛采用。目前近场探针的$ 烙方法主要有两种，高温拉伸法 和化学腐蚀法。高温拉伸法一般使用高功率二氧化碳激光器加热玻璃光纤，当光 纤的加热区域软化时均匀拉伸；化学腐蚀法使用氢氟酸腐蚀氧化硅材料的光纤， 通过改变氢氟酸的浓度可控制尖端的锥度。反应方程式如下： s i 0 24 - 6 h f - + h 2 s i f 6 + 2 h 2 0 g e 0 2 + 6 h f _ h 2 g e f 6 + 2 b 0 此外，还有两种方法相结合的多步拉伸和腐蚀法。可用来制备不同形状的近 场探针。1 9 9 9 年，rs t i c k l e 等 提出一种“t u b ee t c h i n g ”方法 1o 】其步骤如 图1 - 3 ( a ) 所示。该方法的特点是将没有去除聚合物涂覆层的氧化硅光纤直接放 入氢氟酸中腐蚀，其优势在于，光纤表面聚台物滁覆层的存在，改变了其受腐蚀 部分附近溶液的流动情况，从而减少了虔蚀过程中反应液温度变化和外界震动对 反应的影响提高了实验重复性和针尖表面质量，如图i - 3 ( b ) 所示。目前实用 化的探针孔径可选5 0 到2 0 0 n m 外层镀厚度约1 0 0 r i m 的铝膜，铝膜的作用是防 止光泄漏( 透射、反射模式) 和外界光从光纤侧壁进入光纤( 收集模式) 产生噪 声信号。 。删v 豳 ( a )( b ) 图i - 3 “t u b e e t c h i n g ”法制备光纤探针筒图( a ) 制备步骤；( b ) 典型的制备 出的探针的扫描电子显微镜( s c a n n i n g e l e c t r o n i c m i c r o s c o p e , s e m ) 照片州 为保持探针与样品之间距离的恒定不变，需要对探针与样品之问距离进行实 时测量，并通过反馈控制系统控制探针或样品纵向移动，使近场探针在整个扫描 过程中工作在近场区域内。1 9 9 2 年，b e t z i g 研究组首先提出了激光探测剪切力 5 渐学博 论女 镕一章近场光￥研张罐进 的控制方法唧。这种方法的原理是通过音叉带动探针振动，当针尖与样品表面根 接近时- 样品会对振动的探针针尖产生剪切力，使探针振动的振幅和相位发生变 化，通过光信号探测振幅和相位的变化，从而得到样品的表面特征并咀此对搽 针或样品提供负反馈。1 9 9 5 年，k k a r r a i 和艮dg r o b e r 在音叉上加入压电材料 制作的反馈接触片( 1 ”如图1 - 4 所示。这样探针振动的振幅和相位变化直接反 映为电信号进行反馈，减少了系统复杂度。2 0 0 0 年，w hjr e n s e n 等在水中测 试了这种音叉振动测晕剪切力反馈控制的方法，证明了这种反馈方法可以在 液体中使用。这项研究扩展了近场扫描光学显微镜的应用领域尤其是使得近场 扫描光学显微镜在探测生物样品等方面获得了广泛应用。 图i - 4 音又振动剪切力反馈示意囤。( a ) 示意图；( b ) 音叉结构示意图 1 3 3 工作模式 一般来说- 近场扫描光学显微镜具有三种工作模式，如图1 - 5 所示。( a ) 透 射模式激发光经光纤探针入射，在近场区照射样品。穿过透明样品再经显微物 镜在远场收集光信号；( b ) 反射模式，激发光经光纤在近场区入射到样品由物 镜收集反射光信号：( c ) 收集模式，光源在远场区激发样品表面发光，或者将光 源耦台 样品上的微纳结构中，由近场探针收集近场光信号。其中，透射和反射 模式均使用近场激发，远场收集，分别适用于透光和不透光样品；收集模式采用 远场激发，近场收集，其特点在于直接探测倏逝波场。这也是近场扫摇光学显微 镜的主要优势之一。 赫陲hhi睫h拉 ，自_酬一rg嘲腰 第章近场光学研e 状概述 匆v ( a 】透射模式( b ) 反射模式 c ) 收橐樱式 图1 - 5 近场扫描光学显微镜的三种工作模式示毒图 1 3 4 无孔近场扫描光学显微镜 此外。由普通近场扫描光学显微镜迸发展出一种冤孔探针型近场扫描光学显 微镜。这种无孔探针型近场扫描光学显微镜的鲒构特点和优势在于：( 一) 采用 金属探针，针尖可细至1 5 姗，从而获得更高的光学分辨率：( 二) 当光照射在 金属探针尖端时，会产生表面等离子增强效应，在针尖附近产生增强的局域电场， 场增强因子可达2 0 0 0 以上，从而为非线性光学现象产生制造了条件。其原理如 图1 6 ( a ) 所示，入射光经物镜聚焦到金属探针上，在金属探针针尖产生表面等 离子体增强效应，这种高度局域化的强场作用于样品，产生非线性光学效应，实 验中表现为产生另一种波长的散射光，这部分光再经物镜收集并导入光电倍增管 或光了计数器进行探测。 ( a ) 一( b ) l 、：j 丘散射光 图1 - 6 无孔近场扫描光学显微镜原理图和代知| 生实验。( a ) 原理示意图；( b 单臂纳米碳管形貌图( 左) 和r a i l l a n 散射光的近场图( 右) 州。 浙江大学博士学位论文第一章近场光学研究现状概述 l n o v o t n y 研究组在这方而做了大量研究。1 9 9 9 年，该研究组首先提出使 用金属探针代替光纤探钏的近场扫描光学显微镜结构，并将飞秒激光以特定偏振 态照射到探针尖端，测得了p i c 燃料的双光子荧光【1 4 1 。2 0 0 3 年，该研究组使用 无孔近场扫描光学显微镜分别测量了金的二次谐波和单臂碳纳米管的喇曼散 射现剩1 6 1 。 1 4 一维微纳材料和结构 近几年米，一维微纳材料和结构在介观物理及微纳器件制备中正在发挥越来 越重要的作用。凶此，一维微纳材料和结构的制备及性质研究成为研究者关注的 焦点之一。目前，一维微纳材料可通过多种方法制备 1 7 , 1 8 】。在光学领域，目前可 作为亚波长尺度光波导的一维微纳材料的制备方法主要有以下儿种：通过传统的 刻蚀方法( 包括电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、x 光和深紫外光刻、双光子刻蚀 等) 制备一维波导结构，加热拉伸法制备微纳光纤 1 9 , 2 0 】，以及用化学生长法制备 半导体纳米线2 ，2 2 1 和金属纳米线【2 3 , 2 4 】。随着技术的逐渐完善，这些方法制备的纳 米线具有非常平滑的表面，例如，加热拉伸法制备的微纳光纤的表而粗糙度可达 原子量级【l 圳，因此，这些方法制备的一维微纳材料非常适于用作亚波长尺度光 波导，并进一步制备微纳光子学器件。近年来，使用这些方法制备的一维微纳材 料已经被用作导波材料【1 8 - 2 0 , 2 5 - 2 7 1 ，光学谐振腔【2 8 - 3 0 1 ，马赫一泽德干涉器件【3 i 】，光 传感器什 3 2 , 3 3 等领域。 1 4 1 一维微纳光纤的制备和器件设计 一般，微纳米量级的光纤可采用二氧化碳激光加热拉伸法或酒精灯加热两步 拉伸法制备1 19 1 。相比于- 氧化碳激光加热拉伸法，酒精灯加热两步拉伸法实验 装置简单，制备工艺简便。其制备过程如下：第一步先用酒精灯加热氧化硅单模 光纤( 如c o m i n g 公司的s m f 一2 8 ) ，至熔融状态均匀拉伸，如图l 一7 ( a ) 所示， 得到微纳米量级直径的光纤；第二步把上面拉制成的微纳光纤尖端再缠绕在蓝宝 8 * 大学博学口* z一章近抽光学日究现状概4 石光纤锥上，如图1 7 ( b ) 所示，继续加热至熔融状态后进行二次拉伸，得到 的光纤如图1 7 ( c 幛) 所示。图1 - 7 ( e ) 为锻纳光纤的透射电镜照片，该图充 分表明使用这种方法制备的微纳光纤表面均匀度高。这样由表面粗鞋度引起的 光散射损耗较低，所以，这种方法制各的微纳光纤具有很低的光传输损耗约为 oid bm m ，圈l 一7 ( f ) 为光学显微镜下观察到的微纳光纤导光( 微纳光纤直 径3 6 0a m ，光波长6 3 3n m ) 图。综上可以看出，酒精灯加热两步拉伸法制备的 微纳光纤在制造微纳米低损耗光波导器件中具有独特的优势。 监盅“光 f 锥 拉伸点l 氧化硅蟪 蓝啦5 氧化硅拽 ” 拘仲 困i - 7 籼憾微纳光奸的酒精灯加热两步拉伸制备方法及帑| 备出的擞纳免纤的 典型照片。( a ) 制备示意图：( b ) 拉伸点放大囤：( c ) 直径2 6 0n m 总长度约 4 m m 的氧化硅微纳光纤的扫描电子显微镜照片：( d ) 直径5 0 n m 的氧化硅微纳 光纤的扫描电干显微镜照片；( e ) 直径3 3 0 哪微纳光奸的透射电子显微镜照片， 插图为电子衍射图：( f ) 3 6 0n m 直径氧化硅光纤导通6 3 3n m 红光的显微镜照片。 2 0 0 6 年，t o n g 研究组又发表了一种从块状玻璃材料中制各微纳光纤的方法 啪1 ，如图b g 所示。囤t - g ( a ) 为该方法的制各步骤示意圈：( 1 ) 使甩二氧化碳 m 掌博 论女# 一章舾 学研究状 醛 激光或酒精灯火焰加热蓝宝石光纤；( 2 ) 灼热的蓝宝石光纤放置于块状玻璃上， 使接触区域的玻璃达到熔融状态：( 3 ) 移开蓝宝石光纤则( 2 ) 中接触区域的 玻璃材料被附着于蓝宝石光纤上；( 4 ) 再次加热蓝宝石光纤至尖端的玻璃材料为 熔融状态，取另根蓝宝石光纤与熔融状态玻璃材料接触；( 5 ) 拉伸蓝宝石光纤； ( 6 ) 得到玻璃材料的微纳光纤。图i 一8 ( b ) 为拉制出的玻璃微纳光纤的扫描电 镜照片。图i - 8 ( c ) 表明该方法制备的玻璃微纳光纤横截面为较为规则的圆形。 豳1 8 ( d ) 为上述玻璃微纳光纤的透射电镜图，可以看出其表面平滑表面粗糙 度达到原子量级。这种方法制晷微纳光纤的优势在于，可以直接从块状玻璃材料 中制备微纳光纤，从而放宽了微纳光纤制各中对原材料的限制，尤其在于，该方 法能够从掺杂玻璃材料中制备出掺杂微纳光纤( 如掺杂e 一、y b ”等离子) ，从 而为基于微纳光纤的有源器件制备提供了材料基础。 ( a ) 嚣囤气口彳日囊隰l = 一l jl = = 一 气筻手彳坠亍号产f 一 滋囡 图1 8 块状玻璃材料中拉制微蚺光奸的步骤国( a ) 和典型照片( b - d ) 例。( a ) 制备步骤示意图；( b ) 制备出的1 0 0 t i m 直径碲酸盐微纳光纤的扫描电子显微镜 照片：( c ) 4 0 0 n m 直径碲酸盐擞纳光纤横截面的扫描电子显微镜照片：( d ) 2 1 0 n m 直径磷酸盐微纳光纤的透射电子显搬镜照片 利用微纳光纤较好的导波特性，研究人员使用微纳光纤制成了多种微纳光子 学器件，例如，环形谐振腔和马赫一泽德干涉器件口”，如图i - 9 所示。图i - 9 斯太聿博 论女第一章瑶墒光学研e 现拭静# ( a c ) 分别为环形谐振腔和马赫一泽德干涉器件的光学显微镜照片，( b d ) 为相应的透射谐振光谱和干涉光谱，其消光比均为1 0 d b 左右。从图l - 9 可阻看 出基于微纳光纤的微纳光子学器件表现出了较好的嚣件性能，这些研究工作为 微纳光纤应用于未来微纳光子学器件制备铺平了道路。 忡) 0 喂 鬟 i 州 | n n f m 1 5 - f - - - r _ r 1 - 一 波长( n m ) ( 6 w ) 。 ；。j l 1 0 i i 。 _ ；l _ 1 r 啪l i i ，j1t l i 犷自w o7 8 07 8 谜长( n m ) 图i 9 微纳光纤典型器件( a ) 环形谐振腔光学显擞镜照片覆( b ) 透射光谱1 2 s l ： ( c ) 马赫一泽德干涉器件的显微镜照片及( d ) 透射光谱川。 1 4 2 一维半导体微纳材料的制各和器件应用 一维半导体微纳材料的制警方法分为气相法和液相法掰类。气相法是指在制 备过程中源物质为气相或者通过一定的过程转化为气相然后通过一定的机理 生成所需物质的一维微纳材料制备方法。根据源物质转化为气相的途径不同主 要分为激光烧蚀法( l a s e ra b a t l o n ) 、热蒸发法( e v a p o r a t i o n ) 、分子柬外延法 ( m o l e c u l a r - b e a me p i t a x y , m b e ) 、化学气相沉积法( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ， c v d ) ，有机金属化学气相沉积法( m e t a lo r g a a i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ， m o c v d ) 、有机金属气相外延法( m e t a l o r g a n i cv a p o r p h 鸽ee p i t a x y , m o v p e ) 、 电弧放电法( a r cd i s c h a r g e ) 、磁控溅射法( r a d i o - f r e q u e n c y m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ) 、 气相模板法等。液相法是指在制各过程中，通过化学溶液作为媒介传递能量，从 而制备微纳材料的方法。根据传递能量的方式或者载体不同制各微纳颗粒和 * f 博 n 论女一章* 场光学研究现状概迹 维微纳材料的液相法主要分为：溶剂热法( s o l v o t