激光复合微纳探针近场光强影响因素仿真分析

马丽心，郑 纯，李丹婷

(哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028 )

激光复合微纳探针近场光强影响因素仿真分析

马丽心，郑 纯，李丹婷

(哈尔滨商业大学 轻工学院，哈尔滨 150028 )

通过建立镀膜光纤探针仿真模型，模拟锥形镀膜光纤探针针尖处剖面状态，实现对纳米微粒的非接触操作，以空气为操作环境，分析光纤探针镀膜厚度和光纤探针出射孔径的逐渐变化，找出其对近场光强的影响.同时对光纤探针发射激光照射AFM探针的角度变化、光纤探针与AFM探针之间距离的改变以及两者对AFM探针尖端场增强的影响规律做出了定量分析，通过仿真实验分析，进一步发现最大场增强因子，为完成纳米级物体操纵实验提供了参考.

镀膜光纤探针；AFM探针；场增强因子；激光；近场光强；仿真模型

近年来，随着纳米科学技术的迅速发展，各种纳米材料、纳米计算机、纳米机器人、纳米机械等不断出现，纳米测量、纳米级超精密加工、纳米电子学都有了新的发展，与纳米机电系统(NEMS)相关的研究工作也在很多实验室中展开[1].目前操纵纳米级物体的方法主要有三种，一种是单探针接触式操作方法，利用原子力显微镜(AFM)纳米操作系统，通过探针实现对纳米尺度的样品拉-压、剪裁、提取-移动-放置、定位等操作，主要缺点是样品易丢失、操作效率低、并只能完成二维操作[2].第二种利用光镊完成，直接利用光纤探针出射激光产生增强的光阱力对纳米级样品进行移动，但由于光纤探针出射光强较弱，近场操作难以实现对纳米微粒的寻找和定位.第三种是本文所采用的方法,利用激光复合微纳探针产生近场效应完成对纳米微粒的非接触操作，避免与物体直接接触带来的表面损伤实现灵活准确的控制操作.

1 理论分析与实验搭建

该实验主要是研究激光复合微纳探针产生的近场光镊来操纵纳米粒子，基本原理是利用AFM探针尖端处产生的局域增强的隐失场作为操作场，利用光阱力实现非接触纳米微粒的操作.实验操作设备是由光纤探针操作系统与AFM操作系统两部分搭建，同时进行了光纤探针的操作和AFM的观察与图像处理.

1.1 近场增强的基本原理

根据近场光学理论，用传播场或隐失场照明高频物体时会产生迅速衰减的隐失场.当利用激光或入射光在金属导体与电介质的界面处产生的隐失光去照明金属探针或镀有金属层的探针时，探针尖端产生的隐失场会发生增强现象，该近场增强效应是由于金属表面的电子密度在空间重新分布后形成疏密相位的纵波而产生的表面等离子体激元，并与隐失光耦合同时沿金属表面自由传播形成一种电磁波[3].而隐失光可以引发金属表面的集体激发状态的自由电子产生表面等离子体，并由至少有一种电荷可以进行迁移的浓度相同的正、负电荷组成，在入射光取适当波长与偏振方向的条件下，当表面等离子体与隐失光的频率和波数相等时，金属表面会产生表面等离子体共振.

通过对金属结构的调整可以控制表面等离子体激元的性质，这种可调控性使得金属结构在近场光学器件的设计方面潜力很大.锥形镀膜近场光纤探针利用金属膜的表面等离子体共振，将入射光束能量传递给金属膜层自由电子的共振能，使耦合电磁波向锥形探针的尖端汇聚，最终在尖端产生很大的近场增强.因此，镀膜光纤探针和AFM探针能突破传统透镜聚焦光斑受衍射极限的限制，在探针尖端获得显著的近场增强，进而在近场捕获研究领域发挥着重要的作用.

1.2 光纤探针传输激光辐照AFM探针的实验搭建操作

通过光纤探针传输激光，辐照AFM的纳米操作系统具有两个系统的基本功能和组合配置，是一种实现复合方案并具备多功能实验操作的纳米操作仪器.既可以利用激光照射光纤探针通过光镊对纳米微粒进行单独的非接触无损伤操作，也可以根据AFM的操作模块对纳米微粒进行二维空间内的接触式机械操作，还可结合两者实现非接触无损伤可控制的捕获、提取纳米微粒操作实验方案.

光纤探针型光路系统包括半导体二极管激光器、衰减器、光纤偏振旋转器、光纤分路器、光纤功率计、光纤适配器、镀膜光纤探针和三维调整工作台.显微镜部分包含AFM系统控制器、CDD控制器、PC控制终端、光学显微镜以及隔震平台.如图1所示，实验操作时是通过激光器出射激光经过光纤探针传播并在光纤探针尖端处形成近场并照射AFM探针，最终在AFM探针尖端及下方会形成捕获力，对纳米微粒进行捕获操作.

图1 双探针复合操作系统

激光照射前后利用光学显微镜观察两个探针尖端处光场情况如下：图2(A)是利用三维微纳平台控制器对光纤探针进行粗、精多次调节，调节后靠近AFM探针；图2(B)为光纤探针通激光后照射AFM探针图，可见两个探针针尖处都产生了增强的光场.这一步实验是保证纳米微粒被捕获操作的必要条件，是提供足够大光阱力的关键环节.

图2 两探针精调和通激光实验图

2 光纤探针纳米操作仿真分析

为实现纳米操作，用光纤探针聚焦辐射到AFM探针针尖处产生局域近场增强的隐失场.一般光纤探针可分为纳米区、微米区和传导区三个部分，所研究的纳米区为光纤探针的工作区,起聚光的作用；其中抛物线型光纤探针的耦合效率比圆锥型光纤探针的耦合效率要高[4]，但在实际情况中镀膜光纤探针的针尖形状更接近于锥形，试验中采用锥形镀膜光纤探针[5].光纤探针针尖部分长约200 μm，只需考虑光纤探针尖端出射电场的分布情况.图3为模拟光纤探针针尖处剖面图，操作环境为空气，探针内充有折射率为1.5的介质.计算模型定位大端直径D1为Φ700 nm，长度H为600 nm，

图3 锥形镀膜光纤探针仿真模型

针尖的出射孔径D2为Φ100 nm，纤芯部分为二氧化硅，介电常数为2.25.又根据光波对铝的穿透深度很小的特性，选用厚T为80 nm的铝在光纤探针外层镀膜.

模型中选择入射激光波长为808 nm的均匀平面波，该平面波偏振方向是沿着z轴并从-x方向从光纤探针大端入射.为表示AFM探针对局域电场增强效应[6]，增强因子为：

(1)

其中：Etip为探针针尖处的电场强度；E0为入射激光的电场强度.

2.1 光纤探针镀膜厚度对出射端近场增强因子的影响

保持其他参量不变的情况下，改变探针镀膜厚度时，会产生尖端出射电场强度的变化.金属铝膜可以产生屏蔽效应,将大部分的光束缚在光纤探针内传播，避免激光泄露于探针表层[7].随着膜厚增加,激光从探针针尖出射后会产生二次近场增强.但铝膜过厚会阻碍这种二次近场增强.从图4可见在膜厚为100 nm时，出射端近场增强因子最大.

图4 近场增强因子随光纤探针镀膜厚度的变化关系

2.2 光纤探针出射孔径改变对出射端近场增强因子的影响

图5给出了在其他条件都不变的情况下，出射端孔径变化会使出射口电场强度发生改变，近场增强因子随孔径增大而减小.

图5 光纤探针出射孔经对出射端近场增强因子的影响

3 光纤探针出射激光辐照AFMT探针近场光镊仿真分析

分析了镀膜光纤探针模型及其针尖处拥有最强场增强因子的条件，即可得到较高的电场强度，并且经光纤探针出射后的的激光不受衍射极限的限制，在100 nm范围以外，电场强度会迅速衰减，这样就不会对非操作区域内的纳米粒子进行干扰操作，同时也不会对微纳电子器件造成辐射损伤.根据近场光学理论可知，当利用激光或是隐失光照射金属探针或是镀有金属层的探针时，探针尖端产

生的隐失场会发生增强现象，当光纤探针尖端出射激光照射AFM探针针尖时，会出现二次增强的隐失场即文中讨论的AFM探针尖端下方的电场增强因子变化情况.相复合探针仿真模型见图6.

图6 光纤探针出射激光辐照AFM探针的增强近场仿真模型

图7 近场增强因子随两探针之间角度β(°)的变化关系

3.1 光纤探针照射AFM探针的角度对场增强的影响情况分析

在光纤探针与AFM探针相复合时有一个对准角度的问题，图7表示两探针轴线相互垂直时场增强因子最大.

3.2 光纤探针与AFM探针之间距离的改变对AFM探针尖端场增强的影响

图8表示随着两探针之间距离的增加，近场增强因子迅速衰减，但是在实际操作中两探针的距离应相互靠近.

图8 近场增强因子随两探针之间距离的变化关系

4 结 语

利用仿真工具分别对镀膜光纤探针和两探针耦合的近场情况进行了仿真实验，通过对近场光学中隐失场的分析获得了镀膜光纤探针和双探针耦合系统影响因素的变化趋势.在获得了最大场增强因子的仿真模型后，对纳米微粒操纵实验提供一定的基础研究，可以保证在操纵纳米微粒时各影响因素在其控制范围内.

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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.

黑龙江省自然科学基金项目(E201243)

马丽心(1960-)，女，教授，研究方向：制造系统工程.

TN24

A

1672-0946(2015)03-0295-05