激光復合微納探針近場光強影響因素仿真分析

馬麗心，鄭 純，李丹婷

(哈爾濱商業大學 輕工學院，哈爾濱 150028 )

激光復合微納探針近場光強影響因素仿真分析

馬麗心，鄭 純，李丹婷

(哈爾濱商業大學 輕工學院，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，實現對納米微粒的非接觸操作，以空氣為操作環境，分析光纖探針鍍膜厚度和光纖探針出射孔徑的逐漸變化，找出其對近場光強的影響.同時對光纖探針發射激光照射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探針尖端場增強的影響規律做出了定量分析，通過仿真實驗分析，進一步發現最大場增強因子，為完成納米級物體操縱實驗提供了參考.

鍍膜光纖探針；AFM探針；場增強因子；激光；近場光強；仿真模型

近年來，隨著納米科學技術的迅速發展，各種納米材料、納米計算機、納米機器人、納米機械等不斷出現，納米測量、納米級超精密加工、納米電子學都有了新的發展，與納米機電系統(NEMS)相關的研究工作也在很多實驗室中展開[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，通過探針實現對納米尺度的樣品拉-壓、剪裁、提取-移動-放置、定位等操作，主要缺點是樣品易丟失、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生增強的光阱力對納米級樣品進行移動，但由于光纖探針出射光強較弱，近場操作難以實現對納米微粒的尋找和定位.第三種是本文所采用的方法,利用激光復合微納探針產生近場效應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現靈活準確的控制操作.

1 理論分析與實驗搭建

該實驗主要是研究激光復合微納探針產生的近場光鑷來操縱納米粒子，基本原理是利用AFM探針尖端處產生的局域增強的隱失場作為操作場，利用光阱力實現非接觸納米微粒的操作.實驗操作設備是由光纖探針操作系統與AFM操作系統兩部分搭建，同時進行了光纖探針的操作和AFM的觀察與圖像處理.

1.1 近場增強的基本原理

根據近場光學理論，用傳播場或隱失場照明高頻物體時會產生迅速衰減的隱失場.當利用激光或入射光在金屬導體與電介質的界面處產生的隱失光去照明金屬探針或鍍有金屬層的探針時，探針尖端產生的隱失場會發生增強現象，該近場增強效應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生的表面等離子體激元，并與隱失光耦合同時沿金屬表面自由傳播形成一種電磁波[3].而隱失光可以引發金屬表面的集體激發狀態的自由電子產生表面等離子體，并由至少有一種電荷可以進行遷移的濃度相同的正、負電荷組成，在入射光取適當波長與偏振方向的條件下，當表面等離子體與隱失光的頻率和波數相等時，金屬表面會產生表面等離子體共振.

通過對金屬結構的調整可以控制表面等離子體激元的性質，這種可調控性使得金屬結構在近場光學器件的設計方面潛力很大.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，最終在尖端產生很大的近場增強.因此，鍍膜光纖探針和AFM探針能突破傳統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，進而在近場捕獲研究領域發揮著重要的作用.

1.2 光纖探針傳輸激光輻照AFM探針的實驗搭建操作

通過光纖探針傳輸激光，輻照AFM的納米操作系統具有兩個系統的基本功能和組合配置，是一種實現復合方案并具備多功能實驗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行單獨的非接觸無損傷操作，也可以根據AFM的操作模塊對納米微粒進行二維空間內的接觸式機械操作，還可結合兩者實現非接觸無損傷可控制的捕獲、提取納米微粒操作實驗方案.

光纖探針型光路系統包括半導體二極管激光器、衰減器、光纖偏振旋轉器、光纖分路器、光纖功率計、光纖適配器、鍍膜光纖探針和三維調整工作臺.顯微鏡部分包含AFM系統控制器、CDD控制器、PC控制終端、光學顯微鏡以及隔震平臺.如圖1所示，實驗操作時是通過激光器出射激光經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探針尖端及下方會形成捕獲力，對納米微粒進行捕獲操作.

圖1 雙探針復合操作系統

激光照射前后利用光學顯微鏡觀察兩個探針尖端處光場情況如下：圖2(A)是利用三維微納平臺控制器對光纖探針進行粗、精多次調節，調節后靠近AFM探針；圖2(B)為光纖探針通激光后照射AFM探針圖，可見兩個探針針尖處都產生了增強的光場.這一步實驗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鍵環節.

圖2 兩探針精調和通激光實驗圖

2 光纖探針納米操作仿真分析

為實現納米操作，用光纖探針聚焦輻射到AFM探針針尖處產生局域近場增強的隱失場.一般光纖探針可分為納米區、微米區和傳導區三個部分，所研究的納米區為光纖探針的工作區,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]，但在實際情況中鍍膜光纖探針的針尖形狀更接近于錐形，試驗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，操作環境為空氣，探針內充有折射率為1.5的介質.計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，介電常數為2.25.又根據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效應[6]，增強因子為：

(1)

其中：Etip為探針針尖處的電場強度；E0為入射激光的電場強度.

2.1 光纖探針鍍膜厚度對出射端近場增強因子的影響

保持其他參量不變的情況下，改變探針鍍膜厚度時，會產生尖端出射電場強度的變化.金屬鋁膜可以產生屏蔽效應,將大部分的光束縛在光纖探針內傳播，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產生二次近場增強.但鋁膜過厚會阻礙這種二次近場增強.從圖4可見在膜厚為100 nm時，出射端近場增強因子最大.

圖4 近場增強因子隨光纖探針鍍膜厚度的變化關系

2.2 光纖探針出射孔徑改變對出射端近場增強因子的影響

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

圖5 光纖探針出射孔經對出射端近場增強因子的影響

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場增強因子的條件，即可得到較高的電場強度，并且經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，電場強度會迅速衰減，這樣就不會對非操作區域內的納米粒子進行干擾操作，同時也不會對微納電子器件造成輻射損傷.根據近場光學理論可知，當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，探針尖端產

生的隱失場會發生增強現象，當光纖探針尖端出射激光照射AFM探針針尖時，會出現二次增強的隱失場即文中討論的AFM探針尖端下方的電場增強因子變化情況.相復合探針仿真模型見圖6.

圖6 光纖探針出射激光輻照AFM探針的增強近場仿真模型

圖7 近場增強因子隨兩探針之間角度β(°)的變化關系

3.1 光纖探針照射AFM探針的角度對場增強的影響情況分析

在光纖探針與AFM探針相復合時有一個對準角度的問題，圖7表示兩探針軸線相互垂直時場增強因子最大.

3.2 光纖探針與AFM探針之間距離的改變對AFM探針尖端場增強的影響

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

圖8 近場增強因子隨兩探針之間距離的變化關系

4 結 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行了仿真實驗，通過對近場光學中隱失場的分析獲得了鍍膜光纖探針和雙探針耦合系統影響因素的變化趨勢.在獲得了最大場增強因子的仿真模型后，對納米微粒操縱實驗提供一定的基礎研究，可以保證在操縱納米微粒時各影響因素在其控制范圍內.

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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.

黑龍江省自然科學基金項目(E201243)

馬麗心(1960-)，女，教授，研究方向：制造系統工程.

TN24

A

1672-0946(2015)03-0295-05