CN104483738A - 一种磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构，该结构具体为：磨锥光纤外部镶套一锥形套管，所述锥形套管由包围磨锥光纤外壁的套管壁和聚焦圆台一体形成；所述聚焦圆台内部开有一圆台型空腔；所述圆台型空腔的下底面的直径、套管壁的内径均与磨锥光纤的外径相同；圆台型空腔与聚焦圆台的顶面直径和锥角均相同。本发明具有聚焦光斑小、焦深长、通光效率高、与光纤集成、可灵活更换套管以达到不同聚焦效果的特点。

Description

一种磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构

技术领域

本发明涉及一种亚波长聚焦结构，尤其涉及一种在磨锥光纤上结合锥形套管实现长焦深亚波长聚焦的结构。

背景技术

亚波长聚焦一直是光学研究人员和相关工业界工程师最为关注的方向之一，也是近几十年来研究的热点。目前随着科学技术的发展，对光学空间分辨率提出了越来越高的要求。

光斑尺寸小于波长的聚焦光束在纳米微粒运动操作和控制，尤其是生物组织甚至器官的三维打印技术，三维光学数据存储，光刻技术，材料加工，生物医学成像，拉曼光谱技术，二次谐波激发，近场扫描和激光共焦显微技术中都具有至关重要的应用价值。举例来说，在光学数据存储中，小光斑可以提高存储密度和存储容量；在纳米操作和控制中，高度聚焦光斑可以增加梯度力或旋转力矩；在生物医学成像中，高度聚焦光斑可以减少背景成像，改善清晰度；在材料加工中，高度聚焦光斑增加了光能利用率，加工速度和加工精度。

然而在光斑尺寸小于聚波长时，原来的标量衍射理论无法得到焦点附近准确的广场分布，必须使用矢量衍射理论，其中Richards和Wolf系统地研究了光束的聚焦问题，得到了矢量衍射积分公式，建立了聚焦问题的基本理论框架。在此基础上，人们获得了不同横模激光束如平面波、贝塞尔光束等的聚焦理论模型。

贝塞尔光束在无界的自由空问中传播时，与传播方向垂直的任一横向平面上的强度分布总是保持相同，并且能量具有高度局域化；在传播过程中不会遭受到衍射扩展，这类波束被称为“无衍射波束”。

根据平面波的角谱理论，任何空间中传播的单色光波都可以看成是一系列单色平面波的叠加。基于该理论，MIT的一个研究小组成功地直接利用非聚焦光波波前的相干叠加来实现亚波长聚焦。但其研究只是在实验上验证了利用角谱合成理论可以实现亚波长聚焦的贝塞尔光束，而并未提供一种高效率光耦合，具有足够工作距离和聚集深度的实用性的器件结构。

此后提出的金属纳米圆环，以及金属孔阵列等隙缝型透射合成法都包含有光束功率损耗大，工作距离短的缺陷。

传统的锥透镜（微棱锥 microaxicon）可以将高斯光束以非常高的效率转化成近贝塞尔光束，这种透镜用于亚波长聚焦的问题在于：

1、只有在紧靠透镜出射面约2λ的范围内有较好的聚焦，这使其应用受到了很大的限制。

2、聚集后的光束受到锥透镜的锥表面缺陷的影响而偏离理想的亚波长聚集能力，通常只能接近亚波长而没有能够完全进入亚波长区域。

而光纤对激光具有传输方便，传输效率高，模式耦合稳定，使用极为便捷等突出优点，而其出射端高质量聚焦光束的获得不仅可使多种亚波长应用提供巨大的导光位置的便利，而且不必受自由空间光学元件的缺陷制约，如光束由于温度或机械装置变化而偏离理想光轴中心，导致聚集质量下降的困扰。由此看出，设计一种结合光纤的新型亚波长聚焦结构具有重大应用价值。

发明内容

    本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构，该结构聚焦光斑小，焦深长，与光纤集成一体，且使用灵活。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构，该结构具体为：磨锥光纤外部镶套一锥形套管，所述锥形套管由包围磨锥光纤外壁的套管壁和聚焦圆台一体形成；所述聚焦圆台内部开有一圆台型空腔；所述圆台型空腔的下底面的直径、套管壁的内径均与磨锥光纤的外径相同；圆台型空腔与聚焦圆台的顶面直径和锥角均相同；其中，磨锥光纤的入射波长为400～1600 nm，外径为90~140 um；锥形套管折射率与磨锥光纤折射率为1.4~1.9，套管壁的外径D为50~150 um，聚焦圆台的高度H1为10~200 um，圆台型空腔到聚焦圆台顶部的距离H2为10~190 um，聚焦圆台的锥角A1为5~60度，磨锥光纤的锥角A2为80~120度。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的亚波长聚焦结构简单，可行性高，聚焦光束最细处FWHM（半高全宽）可达到0.4λ。

（2）本发明的结构是与光纤完全集成，使用方便，且通光效率高。

附图说明

图1为本发明磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构的几何结构示意图；

图2为本发明磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构的光路图；

图3为本发明磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构的聚焦光束半高宽度轮廓图（沿Z传播，输出端面在100 um处，X方向经过归一化）。

具体实施方式

   下面结合附图及实施例对发明进一步详细说明，但是本发明的保护范围并不限于下列实施例，应包含权利要求书中的全部内容，而且本领域的技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

本发明实现磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构的设计步骤如下：

（1）确定磨锥光纤的入射波长、锥形套管的折射率及结构。传统的锥透镜可以将高斯光束转化成近贝塞尔光束，这种透镜用于亚波长聚焦的问题在于，只有在紧靠透镜出射面约2λ的范围内有较好的聚焦，这使其应用受到了很大的限制。所以本发明在磨锥光纤上加一个锥形套管，使聚焦光束在远场产生，并能在一段较长的距离内保持良好的聚焦效果；

（2）设计结构模型，模型参数包括：套管壁的外径D，聚焦圆台的高度H1，圆台型空腔到聚焦圆台顶部的距离H2，聚焦圆台的锥角Angle1，磨锥光纤的锥角Angle2；

（3）利用软件如3D-BPM计算锥形套管的各模型参数对聚焦光束的FWHM、能量的影响；

（4）根据得到的模型参数与聚焦光束的关系，确定锥形套管的参数范围以实现较为理想的亚波长聚焦。

如图1所示，本发明一种磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构，该结构具体为：磨锥光纤外部镶套一锥形套管，所述锥形套管由包围磨锥光纤外壁的套管壁和聚焦圆台一体形成；所述聚焦圆台内部开有一圆台型空腔；所述圆台型空腔的下底面的直径、套管壁的内径均与磨锥光纤的外径相同；圆台型空腔与聚焦圆台的顶面直径和锥角均相同。

其中，磨锥光纤的入射波长为400～1600 nm，外径为90~140 um；锥形套管折射率与磨锥光纤折射率为1.4~1.9，套管壁的外径D为50~150 um，聚焦圆台的高度H1为10~200 um，圆台型空腔到聚焦圆台顶部的距离H2为10~190 um，聚焦圆台的锥角A1为5~60度，磨锥光纤的锥角A2为80~120度。

如图2所示，磨锥光纤内的光束进过磨锥头后出射形成发散的环形光束，大部分光束进入聚焦圆台，经聚焦圆台的外壁向内反射，最后大部分光束穿过聚焦圆台的顶面重新汇聚形成亚波长聚焦光束。

实施例1

一种磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构示意图如图1所示，具体的设计过程如下：

（1）确定磨锥光纤基本结构，芯层半径8.3um/折射率1.4675，包层半径125um/折射率1.4622。

（2）选取磨锥光纤的入射波长为650nm，套管折射率为1.45。

（3）确定套管壁外径D=135um，聚焦圆台的高度H1为120um，圆台型空腔到聚焦圆台顶部的距离H2为100um。

（4）确定锥形套管锥角为8.8度，磨锥光纤锥角为90度。

（5）利用步骤（1）（2）（3）所确定的参数，使用3D-BPM进行仿真计算。

仿真结果如图3所示，在聚焦圆台出射面后10~40um范围内，聚焦光束截面上的FWHM为0.36~0.52um，另测得此区域聚焦光斑光强均大于入射光强，且聚焦光斑最高光强约为入射光强3.7倍。由此可见，该结构可以在套管出射面后几十微米的范围内较好地实现亚波长聚焦。考虑设计实际与光纤结合，则该结构实现了光纤上的亚波长聚焦。

（6）利用步骤（5）所确定的参数，对光纤进行研磨加工，磨制出所需角度的磨锥光纤；对锥形套管的制作通过毛细管加热拉伸，根据设计选择截面截断并研磨平整，毛细管在细端根据设计的圆台高度通入定量光刻胶，然后紫外光固化制作而成。最后将锥形套管嵌套入磨锥光纤即可得到所设计的亚波长聚焦结构。

实施例2

该例与实施例1的不同点是：套管壁外径D减少至60um，聚焦圆台高度H1减少为50um，圆台型空腔到聚焦圆台顶部的距离H2减少为40um，其余的锥形套管角度、磨锥光纤角度不变。此时在聚焦圆台出射面后5~40um范围内，聚焦光束截面上的FWHM为0.34~0.49um，另测得此区域聚焦光斑光强均大于入射光强，且聚焦光斑最高光强约为入射光强5倍，即该参数的套管结合光纤也可实现的亚波长聚焦。

实施例3

该例与实施例1的不同点是：磨锥光纤锥角改为102.7度，其余的套管尺寸不变。此时在聚焦圆台出射面后10~40um范围内，聚焦光束截面上的FWHM从0.32um变化到0.45um，另测得此区域聚焦光斑光强均大于入射光强，且最高光强约为入射光强5.3倍，即该参数的套管结合光纤也可实现的亚波长聚焦。

实施例4

该例与实施例1的不同点是：锥形套管锥角改为30.4度，其余的套管壁外径、圆台型空腔到聚焦圆台顶部的距离、、聚焦圆台高度、磨锥光纤角度保持不变。此时在套管出射面后5~35um范围内，聚焦光束截面上的FWHM从0.35um变化到0.43um，另测得此区域聚焦光斑光强均大于入射光强，且聚焦光斑最高光强约为入射光强3.7倍，即该参数的套管结合光纤也可实现的亚波长聚焦。

实施例5

该例与实施例1的不同点是：锥形套管折射率改为1.86，磨锥光纤入射波长改为1.25um，其余的套管壁外径、聚焦圆台高度、圆台型空腔到聚焦圆台顶部的距离、磨锥光纤锥角保持不变。此时在聚焦圆台出射面后20~50um范围内，聚焦光束截面上的FWHM从0.62um变化到0.72um，另测得此区域聚焦光斑光强均大于入射光强，且聚焦光斑最高光强约为入射光强3.3倍，即该参数的套管结合光纤也可实现的亚波长聚焦。

Claims (1)

1.一种磨锥光纤结合套管的亚波长聚焦结构，其特征在于，该结构具体为：磨锥光纤外部镶套一锥形套管，所述锥形套管由包围磨锥光纤外壁的套管壁和聚焦圆台一体形成；所述聚焦圆台内部开有一圆台型空腔；所述圆台型空腔的下底面的直径、套管壁的内径均与磨锥光纤的外径相同；圆台型空腔与聚焦圆台的顶面直径和锥角均相同；

其中，磨锥光纤的入射波长为400～1600 nm，外径为90~140 um；锥形套管折射率与磨锥光纤折射率为1.4~1.9，套管壁的外径D为50~150 um，聚焦圆台的高度H1为10~200 um，圆台型空腔到聚焦圆台顶部的距离H2为10~190 um，聚焦圆台的锥角A1为5~60度，磨锥光纤的锥角A2为80~120度。