(57)【要約】    【課題】  クラッド部の長さ及び直径を任意に制御した石英系光ファイバプローブを安定かつ安全に作製することのできる方法を提供すること。    【解決手段】  鉛直方向位置制御されるリニアステージにより被処理光ファイバ１を保持して下降させ（下降過程Ｐ１）、恒温管理されたエッチング溶液中に進入させ（進入過程Ｐ２）、進入に際しての被処理光ファイバ１からの拡散光強度分布の変化をＣＣＤイメージセンサ等画像センサによって検知する（液面接触検知過程Ｄ１）ことによって、被処理光ファイバ１の鉛直方向位置を制御しつつ（設定条件充足検知過程Ｄ２）これに化学エッチングを施すという各過程を経て、近接場光用プローブ１０を作製する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英系光ファイバを化学エッチングして近接場光用プローブを作製するためのプローブ作製方法であって、該方法は、鉛直方向位置制御されるリニアステージにより被処理光ファイバを恒温管理されたエッチング溶液中に進入させ、進入に際しての該被処理光ファイバからの拡散光強度分布の変化を画像センサによって検知することによって、該被処理光ファイバの鉛直方向位置を制御しつつこれに化学エッチングを施し、プローブを得ることを特徴とする、石英系光ファイバプローブの作製方法。
【請求項２】
フッ化水素酸系の溶液で石英系光ファイバを化学エッチングする石英系光ファイバプローブの作製方法であって、ステッピングリニアステージで石英系光ファイバを鉛直にエッチング溶液に挿入し、ＣＣＤイメージセンサにより石英系光ファイバからの拡散光を検知し、コンピュータでエッチング溶液温度及びエッチング時間を制御し、並びに石英系光ファイバ先端がエッチング溶液に接触する瞬間を検知することを特徴とする石英系光ファイバプローブの作製方法。
【請求項３】
石英系光ファイバ先端がエッチング溶液表面に接触したことをＣＣＤイメージセンサで確認することで、石英系光ファイバのエッチングするクラッド部の長さを制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の石英系光ファイバプローブの作製方法。
【請求項４】
エッチング溶液温度及びエッチング時間を制御することで、コア先端を先鋭加工するとともにクラッドの直径もしくはコア先端の頂角の少なくともいずれかを制御することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の石英系光ファイバプローブの作製方法。
【請求項５】
石英系光ファイバを化学エッチングして近接場光用プローブを作製するためのプローブ作製装置であって、該装置は、エッチング溶液槽と、被処理光ファイバを保持してこれを該エッチング溶液槽に鉛直方向に進入させ、および引上げるためのリニアステージと、該エッチング溶液槽下方に設けられ、該エッチング溶液槽に進入する光ファイバの端面からの拡散光を検知するためのＣＣＤイメージセンサまたはその他の画像センサと、該リニアステージおよび該画像センサが接続され、エッチング条件を設定、制御するための設定制御部とを備えてなることを特徴とする、プローブ作製装置。
【請求項６】
前記エッチング溶液の温度制御のために、前記エッチング溶液槽は恒温機能および温度センサを備え、また、エッチング処理側端面からの拡散光を得るための光を照射することのできるレーザ光源その他の光源をさらに備えたことを特徴とする、請求項５に記載のプローブ作製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は石英系光ファイバプローブの作製方法およびプローブ作製装置に係り、特に、化学エッチング法で近接場光顕微鏡用のプローブ及び光ファイバセンサを安定かつ安全に作製する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の近接場光用プローブの作製技術に関しては、従来、種々提案されている。たとえば後掲特許文献はいずれも、石英系光ファイバを化学エッチングする方法を示しているものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−０２０３５３号公報「近接場光用の探針、該探針を用いた近接場光発生方法、該探針を有するプローブ、該プローブを有するストレージ装置、表面観察装置、露光装置、デバイス製造方法、近接場光用の探針を有するプローブの製造方法」。
【特許文献２】特開平０６−１１７８４０公報「近接場光学顕微鏡などに使用されるプローブ及び その製造方法」。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光ファイバを近接場光顕微鏡用のプローブとして用いる場合、エッチングするファイバの長さ（クラッドが溶解する部分）を短くすることでロバスト性が高く、耐振動性に優れた性能が得られる。また、表面プラズモン共鳴センサとして利用する場合、クラッド部分を完全にエッチングしたコア部分の長さが長いほど感度向上につながる。
【０００５】
したがって、石英系光ファイバのクラッドのエッチング部分の長さ及び直径を任意に、しかも正確に制御することは、使用する用途に応じた光ファイバプローブ及び光ファイバセンサを作製するには極めて重要なことである。そこで、エッチングする長さを適切に制御するには、石英系光ファイバの先端がエッチング溶液に接触する瞬間を検知することが重要になる。
【０００６】
しかしながら、光ファイバの先端部がエッチング溶液に接触する瞬間を目視で確認していた従来技法では、太さが125μｍという微細な光ファイバがエッチング液面への接触を目視にて正確に判断することは困難であった。しかも観察する際の個人差が生じていた。さらに、エッチング溶液にはフッ化水素酸溶液を使用しているので、溶液付近での目視観察には危険を伴うことから、石英系光ファイバのエッチングするクラッドの長さ及び直径を正確に制御できないという課題を有していた。
【０００７】
上記各特許文献にも、石英系光ファイバのクラッド部分についてエッチングする長さやクラッドの太さを制御することに関しては提案されておらず、また、安定かつ安全にこれを作製する方法も開示されてはいない。
【０００８】
すなわち本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点を除き、従来の手作業によるエッチング方法では困難であったクラッド部の長さ及び直径を任意に制御した石英系光ファイバプローブを安定かつ安全に作製することのできる、石英系光ファイバプローブの作製方法およびプローブ作製装置を提供することである。さらに、かかる任意にクラッド部の長さ及び直径を制御した光ファイバを用いることにより、近接場光顕微鏡においては耐振動性を高めることができ、表面プラズモン共鳴センサにおいては感度の向上を得ることのできる技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明者は上記課題について検討した結果、石英系光ファイバから放射する拡散光強度分布を化学エッチング溶液槽容器下部に設置したＣＣＤイメージセンサにより撮像しながら石英系光ファイバをエッチング溶液に進入させることにより解決できることを見出した。すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下のとおりである。
【００１０】
（１）  石英系光ファイバを化学エッチングして近接場光用プローブを作製するためのプローブ作製方法であって、該方法は、鉛直方向位置制御されるリニアステージにより被処理光ファイバを恒温管理されたエッチング溶液中に進入させ、進入に際しての該被処理光ファイバからの拡散光強度分布の変化を画像センサによって検知することによって、該被処理光ファイバの鉛直方向位置を制御しつつこれに化学エッチングを施し、プローブを得ることを特徴とする、石英系光ファイバプローブの作製方法。
（２）  フッ化水素酸系の溶液で石英系光ファイバを化学エッチングする石英系光ファイバプローブの作製方法において、ステッピングリニアステージで石英系光ファイバを鉛直にエッチング溶液に挿入し、ＣＣＤイメージセンサにより石英系光ファイバからの拡散光を検知し、コンピュータでエッチング溶液温度及びエッチング時間を制御し、並びに石英系光ファイバ先端がエッチング溶液に接触する瞬間を検知することを特徴とする石英系光ファイバプローブの作製方法。
（３）  石英系光ファイバ先端がエッチング溶液表面に接触したことをＣＣＤイメージセンサで確認することで、石英系光ファイバのエッチングするクラッド部の長さを制御することを特徴とする、（１）または（２）に記載の石英系光ファイバプローブの作製方法。
【００１１】
（４）  エッチング溶液温度及びエッチング時間を制御することで、コア先端を先鋭加工するとともにクラッドの直径もしくはコア先端の頂角の少なくともいずれかを制御することを特徴とする、（１）ないし（３）のいずれかに記載の石英系光ファイバプローブの作製方法。
（５）  石英系光ファイバを化学エッチングして近接場光用プローブを作製するためのプローブ作製装置であって、該装置は、エッチング溶液槽と、被処理光ファイバを保持してこれを該エッチング溶液槽に鉛直方向に進入させ、および引上げるためのリニアステージと、該エッチング溶液槽下方に設けられ、該エッチング溶液槽に進入する光ファイバの端面からの拡散光を検知するためのＣＣＤイメージセンサまたはその他の画像センサと、該リニアステージおよび該画像センサが接続され、エッチング条件を設定、制御するための設定制御部とを備えてなることを特徴とする、プローブ作製装置。
（６）  前記エッチング溶液の温度制御のために、前記エッチング溶液槽は恒温機能および温度センサを備え、また、エッチング処理側端面からの拡散光を得るための光を照射することのできるレーザ光源その他の光源をさらに備えたことを特徴とする、（５）に記載のプローブ作製装置。
【００１２】
かかる本発明によれば、石英系光ファイバが溶液に接触した瞬間が正確に検出され、光ファイバ先端がエッチング溶液に接触した瞬間からのエッチング時間、溶液温度及び光ファイバの浸水する長さを制御することにより、エッチングするクラッドの長さ及び直径が制御される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の石英系光ファイバプローブの作製方法およびプローブ作製装置は上述のように構成されるため、これによれば、従来の手作業によるエッチング方法では困難であったクラッド部の長さ及び直径を任意に制御した石英系光ファイバプローブを安定的に作製することができる。また、溶液付近での目視観察を行わなくてよいため、フッ化水素酸の飛散による危険を防止し、安全にプローブを作製することができる。さらに、この任意にクラッド部の長さ及び直径を制御した光ファイバを用いることにより、近接場光顕微鏡においては耐振動性を高めることができ、表面プラズモン共鳴センサにおいては感度の向上を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を図面によりさらに詳細に説明する。
図１は、本発明の石英系光ファイバプローブの作製方法の基本構成を示すフロー図である。図示するように本方法は、石英系光ファイバ１を化学エッチングして近接場光用プローブ１０を作製するためのものであって、鉛直方向位置制御されるリニアステージにより被処理光ファイバ１を保持して下降させ（下降過程Ｐ１）、恒温管理されたエッチング溶液中に進入させ（進入過程Ｐ２）、進入に際しての該被処理光ファイバ１からの拡散光強度分布の変化をＣＣＤイメージセンサ等画像センサによって検知する（液面接触検知過程Ｄ１）ことによって、該被処理光ファイバ１の鉛直方向位置を制御しつつ（設定条件充足検知過程Ｄ２）これに化学エッチングを施すという各過程を備えることを、主たる構成とする。該制御にはコンピュータを用いることができる。
【００１５】
前記液面接触検知過程Ｄ１では、前記被処理光ファイバ１のエッチング溶液液面への接触の有無が、前記画像センサによる拡散光強度分布変化によって検知され、未接触の場合は下降過程Ｐ１が継続されて該被処理光ファイバ１の下降がなされ、接触を検知した場合は進入過程Ｐ２に以降し、鉛直方向位置、時間等の設定条件に基づいての下降（進入）がなされ、所定位置での保持がなされる。これら設定された化学エッチング条件の充足の有無は、設定条件充足検知過程Ｄ２において検知される。充足していない場合は引き続き、エッチング溶液中での該被処理光ファイバ１の保持がなされ、充足を検知した場合は該被処理光ファイバ１を上方に引き上がる上昇過程Ｐ３がなされ、最終的に所望のプローブ１０が得られる。  
【００１６】
図１に示した本発明プローブ作製方法について、その具体的構成例を説明すれば、ステッピングリニアステージで石英系光ファイバを鉛直にエッチング溶液に挿入し、ＣＣＤイメージセンサにより石英系光ファイバからの拡散光を検知し、コンピュータでエッチング溶液温度及びエッチング時間を制御し、並びに石英系光ファイバ先端のエッチング溶液に接触する瞬間を検知することを特徴とするものである。これにより化学エッチング法により石英系光ファイバのコア先端のテーパー形状を安定良く作製できる。また、石英系光ファイバ先端が化学エッチング溶液の表面に接触する瞬間を精度良く安全に検出できる。
【００１７】
本発明石英系光ファイバプローブの作製方法では、石英系光ファイバ先端がエッチング溶液表面に接触した瞬間をＣＣＤイメージセンサで確認することで、石英系光ファイバのエッチングするクラッド部の長さを制御することが可能である。石英系光ファイバがエッチング溶液液面に接触する瞬間を光強度分布の変化で判断した後、ステッピングリニアステージを制御して石英系光ファイバをエッチング溶液中に進入させることで、エッチングするクラッド部分の長さを制御することができる。
【００１８】
また、エッチング溶液温度及びエッチング時間を制御することで、コア先端を先鋭加工するとともにクラッドの直径を制御することができるが、これにより、石英系光ファイバはフッ化水素酸溶液の組成及びエッチング条件でコア先端の直径及び頂角の大きさ、並びにエッチング速度を制御することができる。
【００１９】
図２は本発明の石英系光ファイバプローブ作製方法の具体的構成例を示すフロー図である。すなわち本例では、化学エッチングをするためのフッ酸、フッ化アンモニウムの混合溶液を用意、設置する。石英系光ファイバの一端からレーザ光を導入し、エッチング温度及びエッチング時間をコンピュータその他の制御手段により設定する。次にＣＣＤイメージセンサによって石英系光ファイバの先端からの拡散光の光強度を測定しながら、光ファイバ先端をエッチング溶液に鉛直方向から接近させる。光ファイバ先端がエッチング溶液表面に接触したことが光ファイバ先端からの拡散光の強度分布の変化で確認された後、光ファイバをエッチング溶液中にステッピングリニアステージによりエッチングするクラッドの長さまで挿入する。溶液中に所定の設定時間保持した後、光ファイバをエッチング溶液から速やかに引き上げることによって、石英系光ファイバプローブが作製される。
【００２０】
図３は、本発明プローブ作製装置の基本的構成例を示す説明図である。図示するように本装置は、石英系光ファイバ１を化学エッチングして近接場光用プローブを作製するためのものであって、該装置は、エッチング溶液槽６と、被処理光ファイバ１を保持してこれを該エッチング溶液槽６に鉛直方向に進入させ、および引上げるためのリニアステージ４と、該エッチング溶液槽６下方に設けられ、該エッチング溶液槽６に進入する光ファイバ１の端面からの拡散光を検知するためのＣＣＤイメージセンサ７またはその他の画像センサと、該リニアステージ４および該画像センサ７が接続され、エッチング条件を設定、制御するための設定制御部８とを備えてなることを、主たる構成とする。
【００２１】
図において本装置は、前記エッチング溶液９の温度制御のために、前記エッチング溶液槽は恒温機能および温度センサを備え、また、エッチング処理側端面からの拡散光を得るための光を照射することのできる適宜のレーザ光源その他の光源２を用いた光入射光学系３を備えることもできる。
【００２２】
図３に即して、さらに本装置構成例について説明する。光入射光学系３はＨｅ−Ｎｅレーザ光源２からのレーザ光線を石英系光ファイバ１へ導入する作用を行うもので、対物レンズ及び焦点レンズから構成されている。ステッピングリニアステージ４は石英系光ファイバ１を化学エッチング溶液９へ導入する作用を行うもので、鉛直方向に１ステップ０．００４μｍから１μｍの範囲の設定でスライドする機構から構成されている。ＣＣＤイメージセンサ７は石英系光ファイバ１のエッチング加工する端面からの拡散光を検知する作用を行うものであり、その光強度分布は制御装置８に転送されて石英系光ファイバ１の先端が化学エッチング溶液９に接触する瞬間を特定するために利用する。石英系光ファイバ１は石英系光ファイバ保持治具５に設置し、リニアステッピングステージ４に固定する。かかる装置構成により、上述した本発明のプローブ作製方法を実施することができる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、さらに説明する。
＜実施例１＞
図３に示した基本構成を備えた装置を用いて、石英系光ファイバプローブの作製過程を実施した。
【００２４】
図４は、石英系光ファイバの先端からの拡散光をＣＣＤイメージセンサで撮像したＣＣＤイメージ像図である。１ステップ５０ｎｍで移動できるステッピングリニアステージを駆動させて行った場合のものであり、このうち、図４（ａ）は石英系光ファイバの先端がエッチング溶液に着水する直前のＣＣＤイメージ像である。また、図４（ｂ）は（ａ）の位置から１ステップ移動した後の着水時のＣＣＤイメージ像である。これらを比較すると、ファイバがエッチング溶液に着水した瞬間にパターンが急変していることが分かる。すなわち、５０ｎｍの分解能で、ファイバのエッチング溶液への接触の有無について認識可能であることが示された。
【００２５】
恒温槽には化学エッチング溶液を入れた容器を設置した。化学エッチング溶液としては、フッ化水素酸及びフッ化アンモニウムの混合溶液を用いた。エッチング溶液は、４７％（重量％  以下も同様）のフッ化水素酸と５０％、７５％、９０％及び１００％の４種類のフッ化アンモニウム溶液と脱イオン水で組成し、その体積比率は０．４：１：１とした。エッチング溶液の蒸発によるクラッド部分の溶解を防ぐため、液面に流動パラフィンを１μｌ滴下した。
【００２６】
石英系光ファイバには、クラッド直径が１２５μｍ、コア直径が５μｍであり、コア部分は酸化ゲルマニウムが１５ｍｏｌ％濃度でドープされた単一モード型光ファイバを使用した。石英系光ファイバの先端を溶液温度が２０℃の化学エッチング溶液に毎秒５０ｎｍステップで進入させた。一定時間が経過したのち石英系光ファイバを化学エッチング溶液から完全に引き上げることで任意の太さでコア先端にテーパー構造を有するプローブ作製を完成することができた。
【００２７】
図５は、エッチング条件によるコア先端形状の変化を示すグラフである。図中のカーブＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄはそれぞれ、フッ化アンモニウム溶液の濃度が５０％、７５％、９０％、１００％のエッチング溶液にかかるものである。このうち、図５（ａ）はエッチング溶液温度が２０℃でのエッチング時間に対するコア先端部の直径を、上記Ａ〜Ｄの各条件ごとに表したものである。いずれの条件においても、コア先端の形状は円錐型となるが、コア先端の直径はエッチング時間経過とと共に減少し、また、フッ化アンモニウム溶液の濃度が高いほど緩やかに減少する傾向を示した。
【００２８】
図５（ｂ） は、エッチング時間に対するコア先端部の頂角の大きさを、上記Ａ〜Ｄの各条件ごとに表したものである。コア先端の頂角の大きさは、エッチング時間の経過による変化はほとんど無く、フッ化アンモニウム溶液の濃度が高いほど小さい傾向を示した。
【００２９】
石英系光ファイバはコアとクラッドのエッチング速度の違いによりコア部にテーパー構造が形成され、エッチング溶液の温度が高いほどエッチング時間が速くなり、コア先端の頂角を一定に保ったままファイバ全体が溶解する。本発明によれば、図５（ａ）より、コア先端の直径はエッチング時間が１時間以内でもって制御することができ、また、図５（ｂ）より、頂角の大きさは溶液組成で制御できることが示された。
【００３０】
エッチング溶液がＨＦ（４７％）：ＮＨ４Ｆ（７５％）：Ｈ２Ｏ＝０．４：１：１（溶液温度：２０℃）、エッチング時間が９０分間という条件にて、本発明方法により石英系光ファイバプローブを２０本作製した際の、コアの先端径及びコア先端の頂角の相対標準偏差（変動係数）は、それぞれ０．９６％、０．９１％であった。本発明方法により、高精度にプローブを作製できることが示された。
【００３１】
＜実施例２＞
エッチング溶液がＨＦ（４７％）：ＮＨ４Ｆ（７５％）：Ｈ２Ｏ＝０．４：１：１（溶液温度：２０℃）において、エッチング時間を３時間及び６時間とし、以外は実施例１と同様にして石英系光ファイバを作製した。
図６は、実施例２により得た石英系光ファイバの先端の像を示す電子顕微鏡写真である。このうち、（ａ）はエッチング時間を３時間、（ｂ）はエッチング時間を６時間としたものである。共にコア先端直径が４０ｎｍ、頂角が３２°のテーパー形状を持ち、エッチング時間３時間ではクラッド径が５０μｍのプローブ６時間ではこれが完全に除去されたプローブを作製することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の石英系光ファイバプローブの作製方法およびプローブ作製装置は上述のように構成されるため、クラッド部の長さ及び直径を任意に制御した石英系光ファイバプローブを安定的にかつ安全に作製することができる。そして、近接場光顕微鏡における耐振動性の向上、表面プラズモン共鳴センサにおける感度の向上を得ることができ、産業上利用価値が高い発明である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の石英系光ファイバプローブの作製方法の基本構成を示すフロー図である。
【図２】本発明の石英系光ファイバプローブ作製方法の具体的構成例を示すフロー図である。
【図３】本発明プローブ作製装置の基本的構成例を示す説明図である。
【図４】実施例１において、石英系光ファイバの先端からの拡散光をＣＣＤイメージセンサで撮像したＣＣＤイメージ像図である。うち、（ａ）は、本発明の一実施の形態による石英系光ファイバプローブ作製装置図において、石英系光ファイバがエッチング溶液の表面に接触し瞬間でのＣＣＤイメージセンサの画像、（ｂ）は、本発明の一実施の形態による石英系光ファイバプローブ作製装置図において、石英系光ファイバがエッチング溶液の表面に接触し瞬間でのＣＣＤイメージセンサの画像。
【図５】実施例１において、エッチング条件によるコア先端形状の変化を示すグラフである。うち、（ａ）はエッチング時間に対するコア先端部の直径の大きさの関係を、（ｂ）はエッチング時間に対するコア先端部の頂角の大きさの関係を示す。
【図６】実施例２により得た石英系光ファイバの先端の像を示す電子顕微鏡写真である。うち、（ａ）は、ＨＦ（４７％）：ＮＨ４Ｆ（７５％）：Ｈ２Ｏ＝０．４：１：１（溶液温度：２０℃）において、エッチング時間を３時間で作製したファイバ先端像、（ｂ）は、ＨＦ（４７％）：ＮＨ４Ｆ（７５％）：Ｈ２Ｏ＝０．４：１：１（溶液温度：２０℃）において、エッチング時間を６時間で作製したファイバ先端像である。
【符号の説明】
【００３４】
１…石英系光ファイバ
２…レーザ光源
３…光入射光学系
４…リニアステージ
５…石英系光ファイバ保持治具
６…恒温槽（エッチング溶液槽）
７…ＣＣＤイメージセンサ（画像センサ）
８…制御装置（設定制御部）
９…化学エッチング溶液
１０…プローブ
９１…流動パラフィン
Ｐ１…下降過程
Ｐ２…進入過程
Ｐ３…上昇過程
Ｄ１…液面接触検知過程
Ｄ２…設定条件充足検知過程
【図１】
2006208120.tif 000003
【図２】
2006208120.tif 000004
【図３】
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【図５】
2006208120.tif 000006
【図４】
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【図６】
2006208120.tif 000008