摘 要

本文主要利用新月面腐蚀法进行了光纤探针的制备，并对抛物线型的光纤探针制备技术进行了探索。通过动态腐蚀法和静态腐蚀法的对比、动态腐蚀法中不同探针运动情况的对比得出各个因素对腐蚀法制备光纤探针的影响。所得结果对于制备有特殊形貌的光纤探针具有重要的指导意义。

论文主要研究了动态新月面腐蚀法中探针的多种运动情况对光纤探针的制备影响，这些影响因素包括光纤运动方向、运动速率、加速度方向和加速度大小等。

研究结果表明：光纤作匀速直线运动时可以通过改变光纤运动方向和运动速率来改变光纤探针的锥形过渡区长度以及锥尖角度大小；光纤作匀加速直线运动时，可以通过改变光纤的加速度大小和方向改变所得光纤探针的几何形状和锥尖角度大小。

本文的特色：通过猜想来制定实验方案，通过分析实验结果验证猜想、总结规律，再将规律运用于实验。

关键词：光纤探针；动态腐蚀法；抛物线型；新月面腐蚀法

Abstract

This paper mainly fabricated optical fiber probes by dynamic meniscus etching method and explored dynamic etching method which is used to fabricate optical fiber probes with parabola-shape. By move optical fiber etching in HF solution vertically at different speed and accelerated speed, optical fiber probes with special shapes can be fabricated. Comparing dynamic etching method and static etching method and analyze different movements by dynamic etching method, we found out influence factors of fabricating optical fiber probes by dynamic etching method. The result concluded is significant for fabricating optical fiber probes with special shapes.

This paper has studied influence of different movements on fabricating optical fiber probes by dynamic etching method. The influence factors include directions, speed, accelerated speed and the direction of accelerated speed.

Research showed that changing the direction and speed of optical fiber probes can change the length of taper and the angle of cone. The geometrical shapes of optical fiber probes and angle of cone can change by changing accelerated speed and the direction of accelerated speed.

Characteristic of the paper is that we design experiment by guess, and we prove guess and sum up the law by analyzing the result of experiment, then we apply the law to our experiment.

Key Words：optical fiber probes；dynamic etching method；parabola-shape；meniscus etching

目 录

第一章 绪论 2

1.1概述 2

1.2光纤光镊技术 2

1.3扫描近场光学显微镜 2

1.4光纤探针的制备现状 3

1.5基本研究内容 3

第二章 光纤探针制备方法及原理 4

2.1光纤探针的制备方法 4

2.2 光纤探针的腐蚀法原理 5

第三章 动态腐蚀法制备光纤探针 7

3.1 动态腐蚀法原理及实验装置 7

3.2 光纤移动速度大小、方向与探针形状关系 9

3.3 光纤移动加速度大小、方向与探针形状关系 11

3.4 抛物线型光纤探针的制备以及抛物线拟合 14

第四章 结论 18

致谢 19

参考文献 20

第1章 绪论

1.1概述

光纤作为一种光传导工具，自激光光源发明以来被用于各种与光有关的研究和应用中。将光纤一端进行处理制成的光纤探针，既是可以用于光纤光镊技术的重要工具，也是扫描近场显微镜里的重要组成部分。

1.2光纤光镊技术

根据量子理论，光是无数具有动量和质量的光子组成的光子流。光的辐射场与物体相互作用产生了光辐射力。20世纪60年代激光的发明使得用高简并度的光束操纵微粒成为可能，因为高聚焦的激光微束具有很大的光强梯度，这样可以产生足够的光梯度力，于是光镊技术得到飞速发展。在所有光镊技术中，光纤光镊技术属于新型技术，以结构简单，捕获范围大，价格便宜等特点受到人们愈发的重视。光纤探针是该技术的核心工具，探针出射的光场构成光镊，可深入样品室中形成光阱，捕获微生物或是微小粒子。与传统光镊技术相比，光纤光镊系统中，光学显微镜与光阱和光阱操纵分离，简化了实验装置。光纤探针的锥角大小、平滑度等因素影响着光镊的捕获效果。光纤探针在光镊技术中作为激光的传导器，其尖端锥角大小、平滑度和几何形状等都对出射光场有所影响。这种技术是以非机械性的接触方式完成吸引和控制微小粒子的。在光束照射的区域及光阱内，粒子主要受到梯度力和散射力，产生移向光束的几何中心的趋势。光作用力的计算模型有射线光学模型和电磁模型，在对于尺寸与波长相近的粒子所受光作用力的计算里，提出的较为合理的解释光作用力计算模型的方法是，将光阱中光的散射看做电磁散射场，通过麦克斯韦方程的求解，可以解出光的散射场^[1][2]。

1.3扫描探针显微镜

传统光学显微镜由具有曲率、折射率的透镜组成，受光学衍射极限的限制，放大倍数不能无限制增大。近场光学显微镜借助小的有限物体，将倏逝场转换成新的倏逝场和传播场。1984年，瑞士的IBM用微孔径作为微探针制成第一台近场光学显微镜。1992年，用单模光纤做成光纤探针并进行探针针尖至样品表面距离测控后，近场显微镜和近场扫描光学显微镜得以实现。现在扫描探针显微技术已成为一种研究微观世界的重要工具，在材料学、生物学等领域有广泛的应用。扫描探针显微技术可由探针的作用不一分为三种，一种是探针为近场提供照明作用，一种是探针为近场收集光信号，第三种是探针同时起照明和收集光信号的作用。扫描近场光学显微镜的基本原理是，用探针在近场内得到物体表面附近反映微小结构的非辐射光信息，然后把这些光信息组合成光学图像，其所得图像质量与光纤探针的几何形状、角度、平滑度，和对尖端与样品间距的控制有关。用于扫描探针显微技术中的探针，要求探针尖端孔径小，这样扫描探针显微镜的分辨率就越高，另外对信号光要求足够强，即透光率必须足够高，在探针形状上的要求是锥形区不能过长，这样才能有足够信噪比^[3][4]。

1.4光纤探针的制备现状

光纤探针的尖端孔径大小、光传输效率、制备的重复性等，是制备光纤探针的几个重要的技术指标。探针的锥角越大，光传输率越高。有计算表明针尖锥角在30度至50度之间即可获得理想的光传输率^[5]。纤探针的几何形状、轮廓也对光传输率有影响。双锥角尖端、三锥角尖端都可以提高光纤探针的光传输率。目前光纤探针的制备方法常用的有熔拉法、腐蚀法、管腐蚀法和熔拉-腐蚀复合法等。熔拉法制备的探针的特点是锥形过渡区细长，且获得的锥角小；腐蚀法与管腐蚀法制备的探针，通过改变光纤与腐蚀液面的位移可以使探针的锥形过渡区短、损耗小、锥角大，但在制备更大锥角的光纤探针时，表面开始变得粗糙，管腐蚀法相对腐蚀法对环境、腐蚀液的稳定性要求小^[6]。熔拉-腐蚀法制作的光纤探针存在一个变锥度区，远离针尖的部分锥角较大，以缩短过渡区的长度；而靠近针尖的部分锥角小、以形成小尺度针尖。然而所有方法都要考虑探针制备的重复性问题，不论是腐蚀-研磨法、还是用不同的溶液比做的二次腐蚀法、还是虹吸腐蚀提升法，都有这样那样的缺点，使探针的制备重复性不高^[7]。如果能探索出较高重复性的制备高透过率光纤探针的方法，对光纤光镊技术、扫描探针显微技术等都有推动发展的作用。

1.5基本研究内容

本文主要研究的是利用动态腐蚀法，制备出具有抛物线型表面的光纤探针，这种抛物形状的探针在所有探针当中具有最佳的透光率。要制作抛物线型的探针，需要深入了解光纤光镊的原理、光纤探针的制备方法、化学腐蚀法的原理和动态新月面腐蚀技术方案。我们尝试利用实验探索动态腐蚀时间、光纤移动速率和方向对所制备的光纤探针一次、二次锥角以及表面平滑度的影响；通过对光纤移动速度、加速度和腐蚀时间的控制制备抛物线型的探针。

第2章 光纤探针制备方法及原理

2.1光纤探针的制备方法

光纤探针的制备已出现许多成熟的方法，熔拉法、腐蚀法是用的最多的方法，其他许多方法大都是这两种方法的变种或是优化。制备光纤探针首先要考虑制得的探针锥角大小、锥形过渡区长度和几何外形，锥角大小决定了探针的尖端孔径大小，锥形过渡区长度和几何外形决定了光透过率，也就是光传输效率，光传输效率高，信号光才强，才有足够信噪比^[8]。其次，光纤探针的制备技术必须要考虑到重复性的问题，有的实验能做出形貌极好的探针，但是具体角度、外形等基本属性不可控，那么这种方法的制备成功率就很低。所以制备方法一定要尽量简化，将影响结果的变量控制到最小。最后，不同用处的光纤探针，其要求也不尽相同，所以制备方法要合理选取，制备方案要谨慎制定。

熔拉法是利用实验装置将光纤的两端夹持，对光纤中央进行加热，然后两端施加拉力进行熔化拉伸光纤，光纤被拉断时，断面会自然形成曲面。在此法中拉力可由电机控制，以获得平稳的拉力和拉伸速度，光纤的被加热部分，需要用剥线钳将其外套剥掉。熔拉后，包层和纤芯的直径随光纤轴向逐渐变细，一般认为在锥区的光纤包层和纤芯直径之比是一定的。因为制作方法的原因，熔拉法得到的光纤锥形过渡区都非常细长，其锥角也通常很小^[9]。在整个锥形过渡区，尖端直径虽已变得很小，达到纳米量级，但是锥角的变化较小。这种方法做的光纤探针锥尖角度通常为8度至35度，过渡区很长，故泄露的光很多，即从针尖出射光很少，所以光透过率不大，但由于光纤探针的锥尖角度很小，所以尖端孔径小，用于扫描近场显微镜的话分辨率高。而腐蚀法制作的光纤，包层直径在光纤轴向逐渐减小，纤芯直径变化不大，在接近光纤探针的尖端的纤芯由于包层很薄或是完全腐蚀才被腐蚀变细。腐蚀法的探针锥形过渡区比熔拉法短得多，损耗小，锥角也较大。另外，也有熔拉-腐蚀法、管腐蚀法、选择性腐蚀法、激光消融法等等，这些方法多是腐蚀法和熔拉法的变种或是优化。