馬麗心，鄭 純，李丹婷

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028 )

激光復(fù)合微納探針近場光強(qiáng)影響因素仿真分析

馬麗心，鄭 純，李丹婷

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150028 )

通過建立鍍膜光纖探針仿真模型，模擬錐形鍍膜光纖探針針尖處剖面狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對納米微粒的非接觸操作，以空氣為操作環(huán)境，分析光纖探針鍍膜厚度和光纖探針出射孔徑的逐漸變化，找出其對近場光強(qiáng)的影響.同時(shí)對光纖探針發(fā)射激光照射AFM探針的角度變化、光纖探針與AFM探針之間距離的改變以及兩者對AFM探針尖端場增強(qiáng)的影響規(guī)律做出了定量分析，通過仿真實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)最大場增強(qiáng)因子，為完成納米級物體操縱實(shí)驗(yàn)提供了參考.

鍍膜光纖探針；AFM探針；場增強(qiáng)因子；激光；近場光強(qiáng)；仿真模型

近年來，隨著納米科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種納米材料、納米計(jì)算機(jī)、納米機(jī)器人、納米機(jī)械等不斷出現(xiàn)，納米測量、納米級超精密加工、納米電子學(xué)都有了新的發(fā)展，與納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)相關(guān)的研究工作也在很多實(shí)驗(yàn)室中展開[1].目前操縱納米級物體的方法主要有三種，一種是單探針接觸式操作方法，利用原子力顯微鏡(AFM)納米操作系統(tǒng)，通過探針實(shí)現(xiàn)對納米尺度的樣品拉-壓、剪裁、提取-移動(dòng)-放置、定位等操作，主要缺點(diǎn)是樣品易丟失、操作效率低、并只能完成二維操作[2].第二種利用光鑷完成，直接利用光纖探針出射激光產(chǎn)生增強(qiáng)的光阱力對納米級樣品進(jìn)行移動(dòng)，但由于光纖探針出射光強(qiáng)較弱，近場操作難以實(shí)現(xiàn)對納米微粒的尋找和定位.第三種是本文所采用的方法,利用激光復(fù)合微納探針產(chǎn)生近場效應(yīng)完成對納米微粒的非接觸操作，避免與物體直接接觸帶來的表面損傷實(shí)現(xiàn)靈活準(zhǔn)確的控制操作.

1 理論分析與實(shí)驗(yàn)搭建

該實(shí)驗(yàn)主要是研究激光復(fù)合微納探針產(chǎn)生的近場光鑷來操縱納米粒子，基本原理是利用AFM探針尖端處產(chǎn)生的局域增強(qiáng)的隱失場作為操作場，利用光阱力實(shí)現(xiàn)非接觸納米微粒的操作.實(shí)驗(yàn)操作設(shè)備是由光纖探針操作系統(tǒng)與AFM操作系統(tǒng)兩部分搭建，同時(shí)進(jìn)行了光纖探針的操作和AFM的觀察與圖像處理.

1.1 近場增強(qiáng)的基本原理

根據(jù)近場光學(xué)理論，用傳播場或隱失場照明高頻物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生迅速衰減的隱失場.當(dāng)利用激光或入射光在金屬導(dǎo)體與電介質(zhì)的界面處產(chǎn)生的隱失光去照明金屬探針或鍍有金屬層的探針時(shí)，探針尖端產(chǎn)生的隱失場會(huì)發(fā)生增強(qiáng)現(xiàn)象，該近場增強(qiáng)效應(yīng)是由于金屬表面的電子密度在空間重新分布后形成疏密相位的縱波而產(chǎn)生的表面等離子體激元，并與隱失光耦合同時(shí)沿金屬表面自由傳播形成一種電磁波[3].而隱失光可以引發(fā)金屬表面的集體激發(fā)狀態(tài)的自由電子產(chǎn)生表面等離子體，并由至少有一種電荷可以進(jìn)行遷移的濃度相同的正、負(fù)電荷組成，在入射光取適當(dāng)波長與偏振方向的條件下，當(dāng)表面等離子體與隱失光的頻率和波數(shù)相等時(shí)，金屬表面會(huì)產(chǎn)生表面等離子體共振.

通過對金屬結(jié)構(gòu)的調(diào)整可以控制表面等離子體激元的性質(zhì)，這種可調(diào)控性使得金屬結(jié)構(gòu)在近場光學(xué)器件的設(shè)計(jì)方面潛力很大.錐形鍍膜近場光纖探針利用金屬膜的表面等離子體共振，將入射光束能量傳遞給金屬膜層自由電子的共振能，使耦合電磁波向錐形探針的尖端匯聚，最終在尖端產(chǎn)生很大的近場增強(qiáng).因此，鍍膜光纖探針和AFM探針能突破傳統(tǒng)透鏡聚焦光斑受衍射極限的限制，在探針尖端獲得顯著的近場增強(qiáng)，進(jìn)而在近場捕獲研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用.

1.2 光纖探針傳輸激光輻照AFM探針的實(shí)驗(yàn)搭建操作

通過光纖探針傳輸激光，輻照AFM的納米操作系統(tǒng)具有兩個(gè)系統(tǒng)的基本功能和組合配置，是一種實(shí)現(xiàn)復(fù)合方案并具備多功能實(shí)驗(yàn)操作的納米操作儀器.既可以利用激光照射光纖探針通過光鑷對納米微粒進(jìn)行單獨(dú)的非接觸無損傷操作，也可以根據(jù)AFM的操作模塊對納米微粒進(jìn)行二維空間內(nèi)的接觸式機(jī)械操作，還可結(jié)合兩者實(shí)現(xiàn)非接觸無損傷可控制的捕獲、提取納米微粒操作實(shí)驗(yàn)方案.

光纖探針型光路系統(tǒng)包括半導(dǎo)體二極管激光器、衰減器、光纖偏振旋轉(zhuǎn)器、光纖分路器、光纖功率計(jì)、光纖適配器、鍍膜光纖探針和三維調(diào)整工作臺(tái).顯微鏡部分包含AFM系統(tǒng)控制器、CDD控制器、PC控制終端、光學(xué)顯微鏡以及隔震平臺(tái).如圖1所示，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)是通過激光器出射激光經(jīng)過光纖探針傳播并在光纖探針尖端處形成近場并照射AFM探針，最終在AFM探針尖端及下方會(huì)形成捕獲力，對納米微粒進(jìn)行捕獲操作.

圖1 雙探針復(fù)合操作系統(tǒng)

激光照射前后利用光學(xué)顯微鏡觀察兩個(gè)探針尖端處光場情況如下：圖2(A)是利用三維微納平臺(tái)控制器對光纖探針進(jìn)行粗、精多次調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后靠近AFM探針；圖2(B)為光纖探針通激光后照射AFM探針圖，可見兩個(gè)探針針尖處都產(chǎn)生了增強(qiáng)的光場.這一步實(shí)驗(yàn)是保證納米微粒被捕獲操作的必要條件，是提供足夠大光阱力的關(guān)鍵環(huán)節(jié).

圖2 兩探針精調(diào)和通激光實(shí)驗(yàn)圖

2 光纖探針納米操作仿真分析

為實(shí)現(xiàn)納米操作，用光纖探針聚焦輻射到AFM探針針尖處產(chǎn)生局域近場增強(qiáng)的隱失場.一般光纖探針可分為納米區(qū)、微米區(qū)和傳導(dǎo)區(qū)三個(gè)部分，所研究的納米區(qū)為光纖探針的工作區(qū),起聚光的作用；其中拋物線型光纖探針的耦合效率比圓錐型光纖探針的耦合效率要高[4]，但在實(shí)際情況中鍍膜光纖探針的針尖形狀更接近于錐形，試驗(yàn)中采用錐形鍍膜光纖探針[5].光纖探針針尖部分長約200 μm，只需考慮光纖探針尖端出射電場的分布情況.圖3為模擬光纖探針針尖處剖面圖，操作環(huán)境為空氣，探針內(nèi)充有折射率為1.5的介質(zhì).計(jì)算模型定位大端直徑D1為Φ700 nm，長度H為600 nm，

圖3 錐形鍍膜光纖探針仿真模型

針尖的出射孔徑D2為Φ100 nm，纖芯部分為二氧化硅，介電常數(shù)為2.25.又根據(jù)光波對鋁的穿透深度很小的特性，選用厚T為80 nm的鋁在光纖探針外層鍍膜.

模型中選擇入射激光波長為808 nm的均勻平面波，該平面波偏振方向是沿著z軸并從-x方向從光纖探針大端入射.為表示AFM探針對局域電場增強(qiáng)效應(yīng)[6]，增強(qiáng)因子為：

(1)

其中：Etip為探針針尖處的電場強(qiáng)度；E0為入射激光的電場強(qiáng)度.

2.1 光纖探針鍍膜厚度對出射端近場增強(qiáng)因子的影響

保持其他參量不變的情況下，改變探針鍍膜厚度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生尖端出射電場強(qiáng)度的變化.金屬鋁膜可以產(chǎn)生屏蔽效應(yīng),將大部分的光束縛在光纖探針內(nèi)傳播，避免激光泄露于探針表層[7].隨著膜厚增加,激光從探針針尖出射后會(huì)產(chǎn)生二次近場增強(qiáng).但鋁膜過厚會(huì)阻礙這種二次近場增強(qiáng).從圖4可見在膜厚為100 nm時(shí)，出射端近場增強(qiáng)因子最大.

圖4 近場增強(qiáng)因子隨光纖探針鍍膜厚度的變化關(guān)系

2.2 光纖探針出射孔徑改變對出射端近場增強(qiáng)因子的影響

圖5給出了在其他條件都不變的情況下，出射端孔徑變化會(huì)使出射口電場強(qiáng)度發(fā)生改變，近場增強(qiáng)因子隨孔徑增大而減小.

圖5 光纖探針出射孔經(jīng)對出射端近場增強(qiáng)因子的影響

3 光纖探針出射激光輻照AFMT探針近場光鑷仿真分析

分析了鍍膜光纖探針模型及其針尖處擁有最強(qiáng)場增強(qiáng)因子的條件，即可得到較高的電場強(qiáng)度，并且經(jīng)光纖探針出射后的的激光不受衍射極限的限制，在100 nm范圍以外，電場強(qiáng)度會(huì)迅速衰減，這樣就不會(huì)對非操作區(qū)域內(nèi)的納米粒子進(jìn)行干擾操作，同時(shí)也不會(huì)對微納電子器件造成輻射損傷.根據(jù)近場光學(xué)理論可知，當(dāng)利用激光或是隱失光照射金屬探針或是鍍有金屬層的探針時(shí)，探針尖端產(chǎn)

生的隱失場會(huì)發(fā)生增強(qiáng)現(xiàn)象，當(dāng)光纖探針尖端出射激光照射AFM探針針尖時(shí)，會(huì)出現(xiàn)二次增強(qiáng)的隱失場即文中討論的AFM探針尖端下方的電場增強(qiáng)因子變化情況.相復(fù)合探針仿真模型見圖6.

圖6 光纖探針出射激光輻照AFM探針的增強(qiáng)近場仿真模型

圖7 近場增強(qiáng)因子隨兩探針之間角度β(°)的變化關(guān)系

3.1 光纖探針照射AFM探針的角度對場增強(qiáng)的影響情況分析

在光纖探針與AFM探針相復(fù)合時(shí)有一個(gè)對準(zhǔn)角度的問題，圖7表示兩探針軸線相互垂直時(shí)場增強(qiáng)因子最大.

3.2 光纖探針與AFM探針之間距離的改變對AFM探針尖端場增強(qiáng)的影響

圖8表示隨著兩探針之間距離的增加，近場增強(qiáng)因子迅速衰減，但是在實(shí)際操作中兩探針的距離應(yīng)相互靠近.

圖8 近場增強(qiáng)因子隨兩探針之間距離的變化關(guān)系

4 結(jié) 語

利用仿真工具分別對鍍膜光纖探針和兩探針耦合的近場情況進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，通過對近場光學(xué)中隱失場的分析獲得了鍍膜光纖探針和雙探針耦合系統(tǒng)影響因素的變化趨勢.在獲得了最大場增強(qiáng)因子的仿真模型后，對納米微粒操縱實(shí)驗(yàn)提供一定的基礎(chǔ)研究，可以保證在操縱納米微粒時(shí)各影響因素在其控制范圍內(nèi).

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Simulation of field enhancement factor combining optical fiber probe with AFM probe

MA Li-xin, ZHENG Chun, LI Dan-ting

(School of Light Industry, Harbin University of Commerce, Harbin 150028, China)

In order to discover the probe acting on intensity of the near-field, this paper adapted the coating optical fiber probe simulation model. Through the simulation of the tapered metal-coated optical fiber probe, the non-contact operation of nano particles in the air could be realized. Through the analysis of optical fiber probe coating thickness and the gradually change of optical fiber probe aperture, found out their influence on the near field intensity. This paper presented a quantitative analysis of the influence law of the field enhancement factor by the changing of the angle and distance between two probes. Simulated experiments showed the maximum factor of field enhancement factor, it could provide reference for the nano object manipulation experiment.

coated optical fiber probe; AFM; field enhancement factor; laser; near field intensity; simulation model

2015-02-02.

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201243)

馬麗心(1960-)，女，教授，研究方向：制造系統(tǒng)工程.

TN24

A

1672-0946(2015)03-0295-05