CN105759345A - 一种基于金纳米管的spp光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤制备领域，具体涉及一种可应用于使用光纤生成的特殊光场、光纤传感、光捕获应用的基于金纳米管的SPP光纤及其制备方法。本发明由涂层、包层、纤芯以及纤芯中一组或多组金纳米管构成，当从光纤一平端面输入一束光，输入光与金纳米管进行光耦合，纤芯与金纳米管界面发生等离激元效应，形成多种SPP模式进行传输。SPP光纤结构微小，相对现有平板类SPP波导，较容易地选择在任意合适的位置和方向上输出SPP；对介质折射率变化敏感、结构与普通光纤类似，使其易与普通光纤互联，形成新型的高灵敏性的光电传感器件。

Description

一种基于金纳米管的SPP光纤及其制备方法

技术领域

本发明属于光纤制备领域，具体涉及一种可应用于使用光纤生成的特殊光场、光纤传感、光捕获应用的基于金纳米管的SPP光纤及其制备方法。

背景技术

表面等离子激元(Surfaceplasmonpolaritons,SPPs)是一种局限在金属/介质表面的自由电子与光子相互作用形成的混合激发态。JunichiTakahara等(Opt.lett.,1997,22(7):475～477)首先理论上研究了圆形金纳米线、金纳米管等在电介质中的SPP传输，并提出此类波导突破衍射极限将电磁场能量束缚在亚波长尺度范围内并传输。此后，研究者提出各种类型的SPP波导以期能在稳定偏振态下获得小模场宽度和长传输距离的传输模。比如金属沟道型SPP波导(Appl.Phys.Lett.B，2002,66(3):035403和Phys.Rev.Lett.,2005,95(4):046802)，脊型SPP波导(Appl.Phys.Lett,2005,87(6):061106和OptExpress.2008,16(8):5252～5260)，间隙性SPP波导(Appl.Phys.Lett,2003,82(8):1158～1160和Appl.Phys.Lett,2005,86(21):211101)等。Berini等人发现将金膜嵌入单电介质当中，当金膜厚度在十几纳米时，某些特殊传输模式，即类线偏振长程SPP模，其传输长度可以达到10mm以上(Opt.Lett.,1999,24(15):1011～1013)。JesperJung等在此基础上提出了基于正方形金纳米线SPP波导(Phys.Rev.B.,2007,76(3):035434)，期望未来用于集成光学器件的互联通信。金属纳米管(OptCommun.2009,282(16):3368～3370和Phys.Rev.B.,2011,84(23):235118)同样有着良好的利用前景，因为结构空心而表现出与实心金属不一样的性质。一般情况下，SPP波导多利用径向偏振短程SPP模或类线偏振长程SPP模。

普通光纤类型，比如多种高折射率光纤，并不能突破衍射极限。但光纤具有的柔性结构以及多重优良性质，使得光纤传感有着独特的优势。而SPP的研究和应用越来越广泛，但在光纤中的应用又涉及甚少。利用SPP模式电磁场能量束缚能力强、可保持稳定偏振态、对介质折射率变化敏感，金属可同时通电传光等优点，若制备SPP光纤，则具备一些SPP优良特性和普通光纤优良特性的同时，还可与普通光纤互联易形成新型光电器件，应用于多个领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于金纳米管的SPP光纤。

本发明的目的还在于提供一种基于金纳米管的SPP光纤制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于金纳米管的SPP光纤，由涂层、包层、纤芯以及纤芯中一组或多组金纳米管构成，当从光纤一平端面输入一束光，输入光与金纳米管进行光耦合，纤芯与金纳米管界面发生等离激元效应，形成多种SPP模式进行传输；通过改变模场匹配的相关程度激发出对应大小的SPP模场分量，通过改变SPP光纤的长度使其他SPP模场分量衰减，最终剩余输出光场强度和相位都满足于所需SPP模场的光束。

所述金纳米管横截面整体形状特征为环形、三角形、矩形、五边形和多边形的一种。

所述金纳米管横截面外径，内径、边长几何尺寸大小为1纳米至900纳米。

所述纤芯中的金纳米管与涂层、包层、纤芯同轴分布。

纤芯中的两组或多组金纳米管呈一维等距阵列分布或二维等距阵列分布。

光纤的传输模式为在金纳米管表面传输的径向短程SPP模、类线偏振长程SPP模和其他SPP模。

一种基于金纳米管的SPP光纤制备方法，包括如下步骤：

1)选择薄皮光纤预制棒，腐蚀掉表面包层后，采用玻璃冷加工方法加工出所需金纳米管形状，并进行第1次缩棒，拉制成纤芯预制棒；

2)采用表面溅射镀膜在纤芯预制棒表面镀上金膜；

3)选择薄皮光纤预制棒，腐蚀掉表面包层，打孔，将步骤2)中镀有表面金膜的纤芯预制棒插入孔中并进行第2次缩棒，拉制成备用丝；

4)重复步骤3)，将重复制备的备用丝插入腐蚀掉表面包层并打孔后的光纤预制棒，加热缩棒，最终拉制成所需的纤芯备用丝；

5)选择合适的高纯包层石英棒进行打孔，将步骤4)中的纤芯备用丝插入孔中并进行缩棒，直至最终拉制出指定折射率分布大小的SPP光纤。

本发明的有益效果在于：

SPP光纤传输模场能量集中，在出射端，出射光场的模式宽度与一般光纤出射光场的模式宽度相比要小的多，便于应用在微粒光捕获操控等领域。在特定SPP模式下，SPP光纤中的光场逸散弱，其传输距离较普通SPP波导要远。SPP光纤结构微小，相对现有平板类SPP波导，较容易地选择在任意合适的位置和方向上输出SPP；对介质折射率变化敏感、结构与普通光纤类似，使其易与普通光纤互联，形成新型的高灵敏性的光电传感器件。

附图说明

图1是具有环形金纳米管的SPP光纤示意图；

图2是具有环形金纳米管的SPP光纤横截面示意图；

图3是具有环形金纳米管的SPP光纤径向偏振短程SPP模场局部示意图；

图4是具有环形金纳米管的SPP光纤类线偏振长程SPP模场局部示意图；

图5是具有环形金纳米管的SPP光纤在纳米管多种外半径大小情况下，类线偏振长程SPP模的模场宽度随环形金纳米管壁厚变化的关系对比示意图；

图6是具有环形金纳米管的SPP光纤在纳米管多种外半径大小情况下，类线偏振长程SPP模的传输长度随环形金纳米管壁厚变化的关系对比示意图；

图7是具有环形金纳米管的SPP光纤缩棒制备环形金纳米管内层纤芯预制棒示意图；

图8是具有环形金纳米管的SPP光纤内层纤芯预制棒表面溅射金膜制备示意图；

图9是具有环形金纳米管的SPP光纤缩棒制备整体纤芯备用丝示意图；

图10是具有环形金纳米管的SPP光纤添加外包层制备成型SPP光纤示意图；

图11是3种具有异形金纳米管的SPP光纤横截面示意图；

图12是具有矩形金纳米管的SPP光纤示意图；

图13是具有矩形金纳米管的SPP光纤径向偏振短程SPP模场局部示意图；

图14是具有矩形金纳米管的SPP光纤竖向线偏振长程SPP模场局部示意图；

图15是具有矩形金纳米管的SPP光纤横向线偏振长程SPP模场局部示意图；

图16是具有多组环形金纳米管排列的SPP光纤横截面示意图；

图17是光源的熊猫型保偏尾纤与具有环形金纳米管的SPP光纤熔接示意图；

图18是光源的熊猫型保偏尾纤与具有矩形金纳米管的SPP光纤熔接示意图；

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详尽的描述：

本发明提供了一种基于金纳米管的SPP光纤及其制备方法。该光纤由涂层、包层、纤芯以及纤芯中一组或多组金纳米管构成。当光纤一平端面输入一束光，输入光与金纳米管进行光耦合，纤芯与金纳米管界面产生等离激元效应，形成多种SPP模式进行传输。通过改变模场匹配的相关程度激发出对应大小的SPP模场分量，通过改变SPP光纤的长度使其他一些SPP模场分量衰减，最终只剩余输出光场强度和相位都满足于所需SPP模场的光束。该光纤的制备包括纤芯预制棒处理、金纳米管制备和包层预制棒处理等共五个步骤。该光纤传输光具有电磁场能量束缚能力强，可保持稳定偏振态，对介质折射率变化敏感等SPP传输特点；在特定模式下传输距离较远；具有一些传统光纤优良特性，易与普通光纤互联形成新型高灵敏性光电传感器件；光纤结构微小，可用于光束生成、光捕获、光纤传感应用等。

在实验中，不同模式的SPP可以通过模场匹配的方式在金属纳米管平端面处进行激发，并以此模式进行传播。因此，当入射光照射至SPP光纤平端面后，输入光与金纳米管进行光耦合，纤芯与金纳米管界面发生等离激元效应。入射光模场与SPP光纤可传输SPP模场图形相关匹配，从而激发对应的SPP模场分量。通过特意改变模场匹配的相关程度以及SPP光纤的长度，可以使一些SPP模场分量衰减，只剩下纯净的、模场能量较高的、传输距离较远的SPP模式，从而在SPP光纤输出端得到输出光场强度和相位都满足于所需SPP模场的光束。纤芯层和包层的存在，使得在特定SPP模式下可以阻止模式宽度过大，从而使光场逸散减弱，传输距离更远。

具有环形金纳米管的SPP光纤的径向偏振短程SPP模场和类线偏振长程SPP模场局部示意如图3、图4所示，其他不同类型结构的SPP波导所对应的此两种模式大致类似。从图中可以看出SPP光纤继承了SPP波导的特性，比如电磁能量束缚能力强，都集中在金属表面极小尺寸内(如图5)；相对普通电介质波导其传输距离很短(如图6)；对介质折射率变化敏感等等。

结合图1-图4，本发明第一种实施方式具有环形金纳米管的SPP光纤(包括涂层1、包层2、纤芯3和环形金纳米管4)。如图1所示，向一段具有环形金纳米管的SPP光纤的端面注入射光5，入射光5与环形金纳米管4之间进行光耦合，纤芯与金纳米管界面发生等离激元效应，形成多种SPP模式进行传输。

当入射光5的模场与具有环形金纳米管的SPP光纤可生成的表面等离子波模式的模场相关匹配程度高时，具有环形金纳米管的SPP光纤另一端将出射对应的表面等离子波6。表面等离子波6可存在多个模式，其中包含径向偏振短程SPP模(如图3)，类线偏振长程SPP模(如图4)以及其他类型的表面等离子波模式。通过改变模场匹配的相关程度激发出对应大小的SPP模场分量，改变SPP光纤的长度，其中模场能量较小以及传输距离短的SPP模式会逐渐衰减，只剩下纯净的、模场能量较高的、传输距离较远的SPP模式。

具有环形金纳米管的SPP光纤的传输光场仍具有SPP波特性，可将电磁场能量束缚在金属表面小尺度范围内。图5表示当环形金纳米管的外半径R分别为200、150、100、75，55nm时，类线偏振长程SPP模的模场宽度随环形金纳米管壁厚的变化关系。模场宽度2r_w定义为从金纳米管中心到最大光强值衰减至1/e处距离的2倍长度，即从图5可看出，类线偏振长程SPP模在环形金纳米管的外半径R＝55nm时拥有图中的最大模场宽度，但始终保持在2.8μm以下，仍比普通单模光纤模场宽度小得多。当金纳米管外半径更小，即使模场宽度继续增大，由于纤芯层和包层折射率差的存在，仍可将SPP模场束缚在纤芯层中，比单纯金属纳米结构镶嵌在纯电介质材料中的SPP波导结构要小。SPP光纤中金纳米管的整体尺寸和管壁厚对模场宽度影响非常大，通过调整环形金纳米管的外径的大小和壁厚，在保持金纳米管整体尺寸大小的同时可获得更小的模场宽度。这使得具有环形金纳米管的SPP光纤可在特殊光束生成、光捕获和光纤传感等领域得到广泛的应用。

同时，具有环形金纳米管的SPP光纤在特定模式下还具有较长的传输距离。通常传输距离最远的模式为类线偏振长程SPP模(如图4)，此长程SPP模偏振态类似于线偏振，且偏振态可以稳定保持。图6表示当环形金纳米管的外半径R分别为200、150、100、75，55nm时，类线偏振长程SPP模的传输距离随环形金纳米管壁厚的变化关系。传输距离定义为最大功率衰减至1/e时的传输长度。从图中可以看出，类线偏振长程SPP模在环形金纳米管的外半径R＝55nm时拥有图中的最长传输距离，可达9mm。一般来说，模场宽度越大，纳米管造成的欧姆损耗越小，因而传输距离越长。当金纳米管外径更小时，模场宽度更大，但由于纤芯层和包层折射率差的存在，仍可将SPP模场束缚在纤芯层当中，模场能量不会过分逸散，所以传输距离比单纯金属纳米结构镶嵌在有限尺寸纯电介质材料中的SPP波导结构要长。SPP光纤中金纳米管的整体尺寸和壁厚对传输距离影响非常大，通过调整环形金纳米管的外径的大小和壁厚，在保持适当模场宽度的同时可获得较合适的传输距离。

结合图7-图10，该光纤的制备过程可分为以下几个步骤：

步骤1：选特定尺寸大小的薄皮光纤预制棒，腐蚀掉表面包层剩余纤芯棒111，根据环形金纳米管形状大小对纤芯棒111进行第1次加热缩棒，拉制成形状大小合适的纤芯预制棒112(如图7)；

步骤2：采用金属表面溅射的方式，通过控制溅射时间等条件，在纤芯预制棒112面上镀一层指定厚度的金膜113，形成备用纤芯预制棒114(如图8)；

步骤3：选择特定尺寸大小的薄皮光纤预制棒，腐蚀掉表面包层剩余纤芯棒115，对纤芯棒115进行打孔，形成孔116，孔116的几何尺寸几乎与备用纤芯预制棒114相同，将备用纤芯预制棒114插入孔116并进行第2次加热缩棒，拉制成备用丝117(如图9)；

步骤4：根据需要多次重复步骤3，将重复制备的备用丝插入预制棒，拉制成最终所需的纤芯备用丝117(如图9)；

步骤5：根据表面等离子光纤折射率几何分布情况，选取特定尺寸大小的高纯包层石英棒118，对高纯包层石英棒118进行打孔，形成孔119，孔119的几何尺寸几乎与纤芯备用丝117相同，将纤芯备用丝117插入孔119并加热缩棒，最终拉制出指定折射率分布大小的表面等离子光纤120(如图10)。

结合图11-图15，本发明第二种实施方式具有异形金纳米管的SPP光纤(包括涂层1、包层2、纤芯3和异形金纳米管4)。异形金纳米管可为矩形、三角形、五边形等多边形形状(图11a、b、c)。区别于具有环形金纳米线的SPP光纤，异形金纳米管非轴对称，拥有更多SPP模式、偏振保持形态可供选择。如图14、图15所示，具有矩形环形金纳米管的SPP光纤其类线偏振长程SPP模有y竖向和x横向两种偏振分布形态。

区别于第一种实施方式具有环形金纳米管的SPP光纤制备方法，第二种实施方式具有异形金纳米管的SPP光纤制备方法步骤1需要首先采用玻璃冷加工(线切割、研磨、抛光)等方法并缩棒将圆柱纤芯预制棒制备成对应的异形纤芯预制棒。其余制备步骤与第一种实施方式具有环形金纳米管的SPP光纤制备方法步骤一致。

第一种实施方式的具有环形金纳米管的SPP光纤可以扩展到多组环形金纳米管空间排布，如图16。类似的，第二种实施方式的具有异形金纳米管的SPP光纤同样可以扩展到多组异形金纳米管空间排布。具有多组金纳米管的SPP光纤通过改变金纳米管参数(整体尺寸、壁厚和纳米管间的间距等)，可以使SPP传输模的模场宽度和传输距离发生改变。具有多组纳米管的SPP光纤可用于制备光纤干涉仪、新型光电器件，使应用范围更加广泛。

实施例一：

1.光纤制备：按照第一种实施方式具有环形金纳米管的SPP光纤制备方法拉制出具有环形金纳米管的SPP光纤120；

2.光纤熔接：如图17所示，将制备好的具有环形金纳米管的SPP光纤120进行去涂层、切割、清理等常规操作，然后与光源的熊猫保偏尾纤121进行对准、熔接；

3.SPP波生成：输入偏振光122，将SPP光纤120的出射端进行平整切割，使用CCD可观测具到有环形金纳米管的SPP光纤120出射端SPP光场满足类线偏振长程SPP模光强分布123。继续切割SPP光纤120，缩短其长度可以明显增大出射光强。

实施例二：

1.光纤制备：特定尺寸大小的圆柱纤芯预制棒111通过采用玻璃冷加工(线切割、研磨、抛光)等方法并缩棒制备成对应的矩形纤芯预制棒后，按照第一种实施方式具有环形金纳米管的SPP光纤制备方法步骤拉制出具有矩形金纳米管的SPP光纤124，如图18；

2.光纤熔接：如图18，将制备好的具有矩形金纳米管的SPP光纤124进行去涂层、切割、清理等常规操作，然后与光源的熊猫保偏尾纤121进行对准靠近，尾纤121输入偏振光122，缓慢旋转SPP光纤124，使用CCD直到观测到SPP光纤124出射端的SPP光场满足横向线偏振长程SPP模光强分布123，进行熔接；

3.SPP波生成：输入偏振光122，将SPP光纤124的出射端进行平整切割，使用CCD可观测具到SPP光纤124出射端的SPP光场满足光强分布123。继续切割SPP光纤124，缩短其长度可以明显增大出射光强。

Claims (7)

1.一种基于金纳米管的SPP光纤，由涂层、包层、纤芯以及纤芯中一组或多组金纳米管构成，其特征在于：当从光纤一平端面输入一束光，输入光与金纳米管进行光耦合，纤芯与金纳米管界面发生等离激元效应，形成多种SPP模式进行传输；通过改变模场匹配的相关程度激发出对应大小的SPP模场分量，通过改变SPP光纤的长度使其他SPP模场分量衰减，最终剩余输出光场强度和相位都满足于所需SPP模场的光束。

2.根据权利要求1所述的一种基于金纳米管的SPP光纤，其特征在于：所述金纳米管横截面整体形状特征为环形、三角形、矩形、五边形和多边形的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于金纳米管的SPP光纤，其特征在于：所述金纳米管横截面外径，内径、边长几何尺寸大小为1纳米至900纳米。

4.根据权利要求1所述的一种基于金纳米管的SPP光纤，其特征在于：所述纤芯中的金纳米管与涂层、包层、纤芯同轴分布。

5.根据权利要求1所述的一种基于金纳米管的SPP光纤，其特征在于：纤芯中的两组或多组金纳米管呈一维等距阵列分布或二维等距阵列分布。

6.根据权利要求1所述的一种基于金纳米管的SPP光纤，其特征在于：光纤的传输模式为在金纳米管表面传输的径向短程SPP模、类线偏振长程SPP模和其他SPP模。

7.一种基于金纳米管的SPP光纤制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)选择薄皮光纤预制棒，腐蚀掉表面包层后，采用玻璃冷加工方法加工出所需金纳米管形状，并进行第1次缩棒，拉制成纤芯预制棒；

2)采用表面溅射镀膜在纤芯预制棒表面镀上金膜；

3)选择薄皮光纤预制棒，腐蚀掉表面包层，打孔，将步骤2)中镀有表面金膜的纤芯预制棒插入孔中并进行第2次缩棒，拉制成备用丝；

4)重复步骤3)，将重复制备的备用丝插入腐蚀掉表面包层并打孔后的光纤预制棒，加热缩棒，最终拉制成所需的纤芯备用丝；

5)选择合适的高纯包层石英棒进行打孔，将步骤4)中的纤芯备用丝插入孔中并进行缩棒，直至最终拉制出指定折射率分布大小的SPP光纤。