CN103941401A - 一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学技术领域，特别涉及用于光学微捕获中的一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器。一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器，器件由光纤端面镀金属膜，在金属膜表面刻写单缝和阵列微槽结构构成，金属膜膜厚100-300纳米，单缝位于纤芯的中心轴线上，单缝的深度与金属膜厚相同，单缝的宽度50-200纳米；阵列微槽结构的深度20-90纳米，宽度100-400纳米。该Airy多光束发生器体积小，集成度高，易于实现全光纤集成，可以与现有光纤技术进行互联，在微光学粒子操纵中具有重要意义。

Description

一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及用于光学微捕获中的一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器。

背景技术

光束整形可以提供各种不同寻常的光束轮廓，其在光学微捕获领域中起重要作用，目前已成为研究热点。贝塞尔光束，拉盖尔-高斯光束，准直光束已被应用到光镊系统和激光器中。Airy光束由于具有横向加速，非衍射，自重构等不同寻常的特性，该特性可以在较长距离存在，因此在微小粒子操控中利用光散射力可以提供较大距离的引导，而吸引了研究人员的注意。在大部分的实验系统中，Airy光束是利用高斯光束传过相位型空间光调制器（Spatial LightModulator，SLM）来实现，但空间光调制器有一些缺点，如尺寸大，低精度，由于材料所限其激光损坏阈值较低等。

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种表面电磁波模式，在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近，沿表面传播，并能在特定纳米结构条件下形成局域场增强。它能够克服衍射极限，产生许多新颖的光学现象，如负折射、超高分辨率成像、透射增强等。这些新颖的现象预示着新原理、新理论、新技术。当改变金属表面结构时，表面等离子体激元的性质、色散关系、激发模式、耦合效应等都将产生重大的变化。通过SPPs与光场之间相互作用，能够实现对光传播的主动操控。表面等离子体激元在开发小型化的光子器件方面具有明显的优势。金属表面等离子体的光学器件受到了越来越多的关注。

目前基于表面等离子体激元的Airy光束在平板波导器件中已实现（Phys.Rev.Lett.，2011，107,116802和Phys.Rev.Lett.，2011，107,126804).该系统需要精确的对准装置，且是在波导平面的近场实现，非自由空间。因此紧凑的全光纤Airy光束是渴望的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紧凑型全光纤Airy光束发生器。

本发明的目的是这样实现的：

一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器，器件由光纤端面镀金属膜，在金属膜表面刻写单缝和阵列微槽结构构成，金属膜膜厚100-300纳米，单缝位于纤芯的中心轴线上，单缝的深度与金属膜厚相同，单缝的宽度50-200纳米；阵列微槽结构的深度20-90纳米，宽度100-400纳米。

光纤是单芯光纤或多芯光纤，纤芯间的排布是线性阵列排列的。

阵列微槽结构，邻近槽之间的间隔是梯度变化的，每个槽距离单缝的空间位置为：

${\mathrm{\φ}}_0+k_{\mathrm{spp}}x+2\mathrm{n\π}=\frac{2}{3}{\left(\frac{x}{x_0}\right)}^{3/2}+\frac{\mathrm{\π}}{4},$

其中φ₀是一个初始相位，x是第n个槽距离单缝的距离，x₀是一确定光束加速的参数，是表面等离子体波的波矢，ε_d和ε_g是槽内介质和金属膜的介电常数。

金属膜为金、银、铝。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、该Airy多光束发生器体积小，集成度高，易于实现全光纤集成，可以与现有光纤技术进行互联，在微光学粒子操纵中具有重要意义；

2、由于光纤自身的柔韧性，该器件不需固定器件的系列装置，易于实际操作；

3、多Airy光束的相对位置依赖于纤芯的位置而非纤芯的尺寸，制作更灵活。

附图说明

图1（a）是单芯光纤横截面；

图1（b）是单Airy光束发生器结构图；

图2（a）是双芯光纤横截面；

图2（b）是双芯光纤双Airy光束发生器结构图，对称两Airy光束向两侧发散传输；

图3是双芯光纤双Airy光束发生器结构图，对称两Airy光束向中心汇聚传输；

图4是双芯光纤双Airy光束发生器结构图，非对称两Airy光束向中心汇聚传输；

图5是单芯光纤光束发生器微槽局域晶格常数变化和单芯光纤Airy光束发生器仿真效果图；

图6是双芯光纤双Airy光束发生器仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图1-6举例对本发明做更详细地描述：

该器件由单芯或多芯光纤端面镀金属膜，然后利用光学微加工技术在纤芯附近的金属膜表面刻写单缝和阵列微槽结构构成。其工作原理是基于光衍射效应，利用阵列微槽将微缝激发的表面等离子体波解耦合到自由空间。光纤可以具有多个纤芯，同时实现多束Airy光束。

光纤在线表面等离子体Airy光束发生器，由单芯或多芯光纤端面镀金属膜，然后利用光学微加工技术在纤芯附近的金属膜表面刻写单缝和阵列微槽结构构成。单缝位于纤芯的中心轴线上，缝的深度与金属膜厚相同，膜厚100-300纳米，缝的宽度50-200纳米；阵列微槽结构，槽的深度20-90纳米，槽的宽度100-400纳米；邻近槽之间的间隔是梯度变化的，每个槽距离单缝的空间位置由公式 ${\mathrm{\φ}}_0+k_{\mathrm{spp}}x+2\mathrm{n\π}=\frac{2}{3}{\left(\frac{x}{x_0}\right)}^{3/2}+\frac{\mathrm{\π}}{4}$ 计算，其中φ₀是一个初始相位，x是第n个槽距离单缝的距离，是表面等离子体波的波矢，ε_d和ε_g是槽内介质和金属膜的介电常数。金属为金、银、铝等材料。所述的多芯光纤是一根光纤中至少包含两个或两个以上纤芯，纤芯间的排布是线性阵列排列的；各个纤芯的尺寸可以相同，也可以不同；每个纤芯在工作时均是单模传输。所述的不同纤芯邻近的阵列微槽可以是不同的几何结构，可实现不同的横向加速。

本发明还可以包括：所述的阵列微槽结构，在多芯光纤端面内可以是向中心汇聚，也可以是向四周发散。所述的光纤在线表面等离子体Airy光束发生器可以工作在可见光及近红外光波段。

实施例1：

光纤在线表面等离子体双Airy光束发生器（图1和图5），光纤端面镀200纳米厚的金膜3，然后利用聚焦离子束技术在纤芯1的中心轴线分别刻一个深200纳米，宽130纳米，长3微米的单缝4。然后在纤芯右侧刻阵列微槽5，邻近槽之间的间隔是梯度变化的，每个槽距离单缝的空间位置由公式 ${\mathrm{\φ}}_0+k_{\mathrm{spp}}x+2\mathrm{n\π}=\frac{2}{3}{\left(\frac{x}{x_0}\right)}^{3/2}+\frac{\mathrm{\π}}{4}$ 计算，其中φ₀是一个初始相位，x是第n个槽距离单缝的距离，是表面等离子体波的波矢，ε_d和ε_g是槽内介质和金膜的介电常数。当x₀＝1微米时的局域晶格常数如图5（a）所示。优化微槽深75纳米，宽260纳米，长3微米。在偏振态垂直于缝方向的980纳米光入射情况下，槽的数量为35时计算得到的场分布如图5（b）。可以看出在远场处是类Airy形，光束向-x方向加速。

实施例2：

基于双芯光纤的在线表面等离子体双Airy光束发生器（图2和图6），双芯光纤的两个纤芯材料尺寸完全相同，对称分布，间距是50微米。首先在光纤侧面做一标记，便于微加工找到纤芯位置。双芯光纤端面镀200纳米厚的金膜3，然后利用聚焦离子束技术在两个纤芯1的中心轴线分别刻一个深200纳米，宽130纳米，长3微米的单缝4-1和4-2。然后在纤芯1-1的右侧和纤芯1-2的左侧刻相同结构的阵列微槽5-1和5-2，邻近槽之间的间隔是梯度变化的，每个槽距离单缝的空间位置由公式 ${\mathrm{\φ}}_0+k_{\mathrm{spp}}x+2\mathrm{n\π}=\frac{2}{3}{\left(\frac{x}{x_0}\right)}^{3/2}+\frac{\mathrm{\π}}{4}$ 计算，其中φ₀是一个初始相位，x是第n个槽距离单缝的距离，是表面等离子体波的波矢，ε_d和ε_g是槽内介质和金膜的介电常数。当x₀＝1微米时的局域晶格常数如图5（a）所示。优化微槽深85纳米，宽260纳米，长3微米。在偏振态垂直于缝方向的980纳米光入射情况下，槽的数量为35时计算得到的场分布如图6。为减小双缝引入的干涉效应，缝间距可以更大一些。看出在每一个纤芯远场处是类Airy形，两光束各自向左右发散。

实施例3：

基于双芯光纤的在线表面等离子体双Airy光束发生器（图3），双芯光纤的两个纤芯材料尺寸完全相同，对称分布，间距是50微米。首先在光纤侧面做一标记，便于微加工找到纤芯位置。双芯光纤端面镀200纳米厚的金膜3，然后利用聚焦离子束技术在两个纤芯1的中心轴线分别刻一个深200纳米，宽130纳米，长3微米的单缝4-1和4-2。然后在纤芯1-1的右侧和纤芯1-2的左侧刻相同结构的阵列微槽5-1和5-2，邻近槽之间的间隔是梯度变化的，每个槽距离单缝的空间位置由公式 ${\mathrm{\φ}}_0+k_{\mathrm{spp}}x+2\mathrm{n\π}=\frac{2}{3}{\left(\frac{x}{x_0}\right)}^{3/2}+\frac{\mathrm{\π}}{4}$ 计算，其中φ₀是一个初始相位，x是第n个槽距离单缝的距离，是表面等离子体波的波矢，ε_d和ε_g是槽内介质和金膜的介电常数。设x₀＝1.25微米，可计算局域晶格常数，此时优化微槽深85纳米，宽250纳米，长3微米。在每一个纤芯远场处是类Airy形，两光束均向中心汇聚，在中心处可实现聚焦。

实施例4：

基于双芯光纤的在线表面等离子体双Airy光束发生器（图4），与实施例3不同的是，两个纤芯附近的微槽阵列位置分别根据不同的x₀计算得到，两个Airy光束具有不同的横向加速度。

Claims (4)

1.一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器，其特征在于：器件由光纤端面镀金属膜，在金属膜表面刻写单缝和阵列微槽结构构成，金属膜膜厚100-300纳米，单缝位于纤芯的中心轴线上，单缝的深度与金属膜厚相同，单缝的宽度50-200纳米；阵列微槽结构的深度20-90纳米，宽度100-400纳米。

2.根据权利要求1所述的一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器，其特征在于：所述的光纤是单芯光纤或多芯光纤，纤芯间的排布是线性阵列排列的。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器，其特征在于：所述的阵列微槽结构，邻近槽之间的间隔是梯度变化的，每个槽距离单缝的空间位置为：

${\mathrm{\φ}}_0+k_{\mathrm{spp}}x+2\mathrm{n\π}=\frac{2}{3}{\left(\frac{x}{x_0}\right)}^{3/2}+\frac{\mathrm{\π}}{4},$

其中φ₀是一个初始相位，x是第n个槽距离单缝的距离，x₀是一确定光束加速的参数，是表面等离子体波的波矢，ε_d和ε_g是槽内介质和金属膜的介电常数。

4.根据权利要求3所述的一种光纤在线表面等离子体Airy光束发生器，其特征在于：所述的金属膜为金、银、铝。