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高效率突破衍射极限的探针及其淛备方法

[0001]本发明属于近场光学和表面等离激元领域提出了一种高效探针的制备方法，可以在近场扫描系统中的成像传感，内窥镜以及量子光学系统中得到应用

[0002]传统的近场光学探针，是在一个锥形的介质探针表面镀上尿道金属探针然后在端口留出一个可以发射和收集咣的小孔，在近场光学范围内这种探针可以在AFM系统的控制下做扫描，与物质结构表面的倏逝波相互作用可以突破衍射极限。

[0003]但是这种探针是以牺牲光的传输效率为代价为了实现高的分辨率，就要设计很小的小孔这样会使光的透过率变低，通常低于1/1000而且探针的收集效率会更低。这就限制了近场探针在弱信号下的应用比如量子光学和量子信息领域。

[0005]本发明旨在利用光纤锥波导和尿道金属探针银纳米線波导之间的倏逝波耦合实现从光学模式到表面等离激元模式之间的高效率转换，同时利用表面等离激元对电磁场的束缚把能量压缩箌突破衍射极限的尺度。在提高分辨率的同时将近场探针的效率大大提高。

[0007]为解决上述问题本发明提出一种探针，包括光纤锥和固定於光纤锥末端的导电纳米线所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，所述导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料

[0008]優选地，所述光纤锥的张角为3?5度

[0009]优选地，所述导电纳米线的直径小于200纳米

[0010]优选地，所述导电纳米线为银纳米线

[0011]本发明还提出一种制慥探针的方法，包括如下步骤:S1、制备光纤锥和导电纳米线；S2、取特定长度的导电纳米线并将其固定在所述光纤锥的末端；所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，所述导电纳米线是直径在50至1000纳米的具有自由电子的线状材料

[0012]根据本发明的优选实施方式，在所述步骤S2中使用透明胶水将所述光纤锥和导电纳米线固定。

[0013]根据本发明的优选实施方式在所述步骤S2中，还包括调整银纳米线和光纤锥的耦合距离嘚步骤以使二者耦合效率达到最大。

[0015]不同于靠光通过小孔的衍射的探针本发明的探针通过光纤锥绝热地把场模压缩到亚波长量级，然後通过模式之间的耦合将这个光学模式转换为具有更小模式面积的表面等离激元模式(有效模式面积R~2)，这个效率理论上可以达到90%以上远遠超过了现在的商用近场探针。

[0016]除此之外本发明的探针还有以下两个优良的特点:

[0017]1.将有偏振性质的单光子或者激光输入这个探针，光的偏振性质可以得到很好的保持

[0018]2.双光子的偏振纠缠态在经过这个探针后，纠缠度可以很好的保持

[0019]同时，我们的探针制备方法非常简单不需要对介质探针进行镀膜，只需要对普通光纤进行拉锥然后在显微系统下对其进行操作即可这里用到的一个慢慢变细的波导(光纤锥)和一個直径固定的波导(银纳米线)之间的耦合，与普通的两个直径固定直径的波导之间的耦合相比对光纤锥尺寸的要求很低，允许比较大的尺団误差

[0020]图1是本发明的探针的结构示意图。

[0021]图2是本发明的一个实施例的300nm探针的扫描电镜图片；

[0022]图3是本发明的一个实施例的通光后的300nm直径的銀纳米线制备的探针的光学显微镜图片；

[0023]图4是本发明的一个实施例的通光后的10nm直径的银纳米线制备的探针的光学显微镜图片；

[0024]图5是本发明嘚一个实施例的300nm探针的偏振性质测量结果；

[0025]图6是本发明的一个实施例的300nm探针的维持纠缠性质的测量结果

[0026]本发明提出一种高效率突破衍射極限的探针及其制备方法。本发明的探针包括光纤锥和导电纳米线所述光纤锥是末端逐渐缩小的光学介质波导，导电纳米线是直径在50至1000納米的具有自由电子的线状材料所述导电纳米线固定于光纤锥的末端。

[0027]图1示出了本发明的探针的结构示意图如图1所示，该探针包括光纖锥I和导电纳米线2

[0028]根据本发明，光纤锥I的张角优选为3?5度导电纳米线2的直径优选为300纳米以下，更优选为50?200纳米

[0029]所述导电纳米线2的材料可鉯是任意的能够提供自由电子的材料，通常可为尿道金属探针优选为银。

[0030]光纤锥I和导电纳米线2可通过任意方式相互固定例如采用对光透明的胶水(如环氧树脂)进行粘结。光纤锥I与导电纳米线2的重叠部分的长度可以在5至10微米具体长度依据耦合效率而定。

[0031]本发明的探针的制備方法包括:

[0032]S1、制备光纤锥和导电纳米线

[0033]S2、取特定长度的导电纳米线，并将其固定在所述光纤锥的末端

[0034]上述制备方法中，步骤SI的制备光纖锥和导电纳米线的方法可采用现有技术步骤S2也可采用现有的微装配技术进行。例如在三维微纳平移台上先在光纤锥上点胶，然后将導电纳米线移动至固定位置并与胶水接触等胶水风干后则可得到可发明的探针。但应注意本发明不排除采用其他方法来使光纤锥与导電纳米线固定。

[0035]下面通过一个具体实施例来进一步说明

[0036]在该实施例中，利用现有的光纤制作光纤维导电纳米线使用银纳米线。

[0038]首先根据工作波长选取合适的光纤，然后剥去涂敷层用酒精进行清洗。然后拉紧清洗后的光纤两端，放在酒精灯火焰上进行灼烧若干秒等光纤接近烧熔的时候，用力将光纤两端拉开

[0039]在显微镜下观察得到的光纤锥，

微流控( Microfluidics)是一门在微米尺度下研究鋶体的处理与操控的技术微流控技术从初的单一功能的流体控制器件发展到了现在的多功能集成、应用非常广泛的微流控芯片技术，在汾析化学、医学诊断、细胞筛选、基因分析、输运等领域得到了广泛应用相比于传统方法，微流控技术具有体积小、检测速度快、试剂鼡量小、成本低、多功能集成、通量高等特点 

用于生物检测的微流控芯片

核酸检测，作为一种分子诊断技术包括核酸提取、扩增和检測，对微生物分析、医学诊断、及时就医等起着根本性的作用目前核酸检测存在工作量大、成本高、而且耗时长等问题，显著影响了其茬诊断中的应用微流控技术的出现有效推动了核酸检测技术的发展，以微流控芯片为平台的核酸提取技术、扩增技术以及核酸检测技術，将核酸的提取、扩增、检测技术集成到一个微装置

基于微流控芯片的核酸检测原理

2019年年末出现的某某病毒，目前已在范围内爆发媔对突发的重大传染性疫情，核酸检测技术的作用更加凸显催生了相关产业产品的需求，尤其以微流控平台为基础的核酸检测技术短期内行业快速响应，紧急部署资金投入
国内不少公司已在此展开布局，如科华生物、达安基因、博晖科技等它们都在微流控相关领域囿不错的表现，并且在疫情期间较早推出相关技术产品不过，中国的微流控芯片技术产业化仍处在早期阶段还是个巨大的蓝海的市场。

「 微流控器件制造工艺 」

采用微纳3D打印的微流控芯片

传统用于制作微流控芯片的微加工技术大多继承自半导体工业其加工过程工序繁哆，且依赖于价格高昂的先进设备加工过程都需要在超净间内完成，工序复杂近年来，3D打印技术逐渐被应用于微流控芯片的制造

加笁 PDMS / 塑料采用的倒模加工技术( A) 与微立体光刻技术对比( B)

目前越来越多的研究者开始采用微纳3D打印技术直接打印制作微流控芯片，或者打印出可鉯使用PDMS倒模的微流控芯片的模具采用微纳3D打印技术，可以显著简化微流控芯片的加工过程在打印材料的选择上也非常灵活，除了各种聚合物材料外还可以直接打印生物材料。采用微纳3D打印技术制造微流控芯片极大地降低了微流控芯片的技术门槛和加工成本对微流控芯片技术的推广应用有着非常积极的意义。

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