CN105759346A - 一种基于金纳米线的spp光纤及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤及其制备方法，择优可应用于使用光纤生成的特殊光场、光纤传感、光捕获应用等。本发明由涂层、包层、纤芯以及纤芯中一组或多组金纳米线构成，当从光纤一平端面输入一束光，输入光与金纳米线进行光耦合，纤芯与金纳米线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，只剩余输出光场强度和相位都满足于所需SPP模场的光束。SPP光纤结构微小，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

一种基于金纳米线的SPP光纤及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤及其制备方法，择优可应用于使用光纤生成的特殊光场、光纤传感、光捕获应用等。

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。Tyagi等(OptLett.,2010,35(15):2573～2575)还利用光纤融拉直接在单模光纤纤芯旁制备出圆形金纳米线，实验考察了等离子共振效应，期望用于纳米电极、近场扫描探针等应用领域。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线的SPP光纤。本发明的目的还在于提供一种基于金纳米线的SPP光纤制备方法

本发明的目的是这样实现的：

一种基于金纳米线的SPP光纤，由涂层、包层、纤芯以及纤芯中一组或多组金纳米线构成，当从光纤一平端面输入一束光，输入光与金纳米线进行光耦合，纤芯与金纳米线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，只剩余输出光场强度和相位都满足于所需SPP模场的光束。

所述金纳米线横截面整体形状特征为：圆形、三角形、矩形、五边形和多边形的一种。

所述金纳米线横截面几何尺寸特征为：其半径、边长几何尺寸大小为1纳米至900纳米。

所述的一组金纳米线几何分布特征为：纤芯中的金纳米线与涂层、包层、纤芯同轴分布。

所述的多组金纳米线几何分布特征为：纤芯中的两组或多组金纳米线呈一维等距阵列分布或二维等距阵列分布。

所述光纤的传输模式的特征为在金纳米线表面传输的径向短程SPP模、类线偏振长程SPP模和其他SPP模。

所述光纤激发的传输模式分量特征为：任意一种在光纤平端面所激发的传输模式，其分量大小取决于模场匹配的相关程度。

一种基于金纳米线的SPP光纤制备方法，SPP光纤的制备步骤为：

1)选择合适的薄皮光纤预制棒，腐蚀掉表面包层后，根据金丝的形状进行打孔，插入合适大小的金丝，加热缩棒，拉制成合适的含有金丝预制构件；

2)多次重复步骤1)，将重复制备的预制构件插入腐蚀掉表面包层并打孔后的光纤预制棒，加热缩棒，拉制成所需的内含微米金丝纤芯预制棒；

3)选择包层石英棒进行打孔，将步骤2)中的纤芯预制棒插入孔中，加热缩棒，直至最终拉制出指定折射率分布大小的SPP光纤，该光纤中光波导为单模光纤芯，内含纳米金丝。

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是具有圆形金纳米线的SPP光纤示意图；

图2是具有圆形金纳米线的SPP光纤横截面示意图；

图3是具有圆形金纳米线的SPP光纤径向偏振短程SPP模场局部示意图；

图4是具有圆形金纳米线的SPP光纤类线偏振长程SPP模场局部示意图；

图5是具有圆形金纳米线的SPP光纤，类线偏振长程SPP模的传输距离和模场宽度随纳米线半径变化的关系对比示意图；

图6是具有圆形金纳米线的SPP光纤内嵌圆形金纳米线的纤芯备用丝制备示意图；

图7是具有圆形金纳米线的SPP光纤内嵌圆形金纳米线的纤芯预制棒制备示意图；

图8是具有圆形金纳米线的SPP光纤纤芯预制棒添加外包层制备成型SPP光纤示意图；

图9是3种具有异形金纳米线的SPP光纤横截面示意图；

图10是具有矩形金纳米线的SPP光纤示意图；

图11是具有矩形金纳米线的SPP光纤径向偏振短程SPP模场局部示意图；

图12是具有矩形金纳米线的SPP光纤竖向线偏振长程SPP模场局部示意图；

图13是具有矩形金纳米线的SPP光纤横向线偏振长程SPP模场局部示意图；

图14是具有多组圆形金纳米线排列的SPP光纤横截面示意图；

图15是光源的熊猫型保偏尾纤与具有圆形金纳米线的SPP光纤熔接示意图；

图16是光源的熊猫型保偏尾纤与具有矩形金纳米线的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线的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线构成。当光纤一平端面输入一束光，输入光与金纳米线进行光耦合，纤芯与金纳米线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。该光纤的制备包括金纳米线处理，纤芯预制棒处理和包层预制棒处理等共三个步骤。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线平端面处进行激发，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，输入光与金纳米线进行光耦合，纤芯与金纳米线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。

具有圆形金纳米线的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。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1.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。

2.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。

3.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。

结合图1-图4，本发明第一种实施方式具有圆形金纳米线的SPP光纤(包括涂层1、包层2、纤芯3和圆形金纳米线4)。如图1所示，向一段具有圆形金纳米线的SPP光纤的端面注入射光5，入射光5与圆形金纳米线4之间进行光耦合，纤芯与金纳米线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的模场与具有圆形金纳米线的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，具有圆形金纳米线的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。

具有圆形金纳米线的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表示具有圆形金纳米线的SPP光纤类线偏振长程SPP模的模场宽度和传输距离随纳米线半径变化的关系。模场宽度2r_w定义为从金纳米线中心到最大光强值衰减至1/e处距离的2倍长度，即图5所示，模场宽度随圆形金纳米线外径R减小会先减小后增大，即有极小值，大约1.25μm。当金纳米线外径更小，即使模场宽度继续增大，但由于纤芯层和包层折射率差的存在，仍可将SPP模场束缚在纤芯层中，所以模场宽度会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。这使得具有圆形金纳米线的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，具有圆形金纳米线的SPP光纤在类线偏振长程SPP模下还具有较长的传输距离。传输距离定义为最大功率衰减至1/e时的传输长度。图5所示，类线偏振长程SPP模的传输距离随圆形金纳米线外径R减小而增大，在半径R＝30nm时，传输距离L可达55mm。一般来说，模场宽度越大，纳米线造成的欧姆损耗越小，因而传输距离越长。当金纳米线外径更小时，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光纤中金纳米线的尺寸对传输距离影响非常大，通过调整圆形金纳米线的外径的大小，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6-图8，该光纤的制备过程可分为以下几个步骤：

步骤1：选择合适的薄皮光纤预制棒，腐蚀掉表面包层后剩余纤芯棒111，根据金丝113的形状大小对纤芯棒111进行打孔，形成孔112，将金丝113插入孔112中，加热缩棒，拉制成合适的备用丝114(如图6)；

步骤2：根据需要多次重复步骤1，将重复制备的备用丝114插入腐蚀掉表面包层并打孔后的光纤预制棒111，加热缩棒，最终拉制成所需的纤芯预制棒115(如图7)；

步骤3：选择合适的高纯包层石英棒116进行打孔，形成孔117，将步骤2中的纤芯预制棒115插入孔117中，加热缩棒，直至最终拉制出指定折射率分布大小的SPP光纤118(如图8)。

结合图9-图13，本发明第二种实施方式具有异形金纳米线的SPP光纤(包括涂层1、包层2、纤芯3和异形金纳米线4)。异形金纳米线可为矩形、三角形、五边形等多边形形状(图9a、b、c)。区别于具有圆形金纳米线的SPP光纤，异形金纳米线非轴对称，拥有更多SPP模式、偏振保持形态可供选择。如图12、图13所示，具有矩形圆形金纳米线的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圆形金纳米线的SPP光纤制备方法，第二种实施方式具有异形金纳米线的SPP光纤制备方法步骤1需要首先制备异形形状的金丝，并对纤芯棒打异型孔，再将金丝插入异形孔中加热缩棒。其余制备步骤与第一种实施方式具有圆形金纳米线的SPP光纤制备方法步骤一致。

第一种实施方式的具有圆形金纳米线的SPP光纤可以扩展到多组圆形金纳米线空间排布，如图14。类似的，第二种实施方式的具有异形金纳米线的SPP光纤同样可以扩展到多组异形金纳米线空间排布。具有多组金纳米线的SPP光纤通过改变金纳米线参数(外径和纳米线间的间距等)，可以使SPP传输模的模式宽度和传输距离发生改变。具有多组纳米线的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圆形金纳米线的SPP光纤制备方法拉制出具有圆形金纳米线的SPP光纤118；

2.光纤熔接：如图15所示，将制备好的具有圆形金纳米线的SPP光纤118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119进行对准、熔接；

3.SPP波生成：输入偏振光120，将SPP光纤118的出射端进行平整切割，使用CCD可观测具到有圆形金纳米线的SPP光纤118出射端SPP光场满足类线偏振长程SPP模光强分布121。继续切割SPP光纤118，缩短其长度可以明显增大出射光强。

实施例二：

1.光纤制备：将制备的异形金丝插入纤芯棒异型孔中，按照第一种实施方式具有圆形金纳米线的SPP光纤制备方法步骤拉制出具有矩形金纳米线的SPP光纤122，如图16；

2.光纤熔接：如图16，将制备好的具有矩形金纳米线的SPP光纤122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119进行对准靠近，尾纤119输入偏振光120，缓慢旋转SPP光纤122，使用CCD直到观测到SPP光纤122出射端的SPP光场满足横向线偏振长程SPP模光强分布121，进行熔接；

3.SPP波生成：输入偏振光120，将SPP光纤122的出射端进行平整切割，使用CCD可观测具到SPP光纤122出射端的SPP光场满足横向线偏振长程SPP模光强分布121。继续切割SPP光纤122，缩短其长度可以明显增大出射光强。

Claims (8)

1.一种基于金纳米线的SPP光纤，由涂层、包层、纤芯以及纤芯中一组或多组金纳米线构成，其特征在于：当从光纤一平端面输入一束光，输入光与金纳米线进行光耦合，纤芯与金纳米线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，只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线的SPP光纤，其特征在于：所述金纳米线横截面整体形状特征为：圆形、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线的SPP光纤，其特征在于：所述金纳米线横截面几何尺寸特征为：其半径、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线的SPP光纤，其特征在于：所述的一组金纳米线几何分布特征为：纤芯中的金纳米线与涂层、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线的SPP光纤，其特征在于：所述的多组金纳米线几何分布特征为：纤芯中的两组或多组金纳米线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线的SPP光纤，其特征在于：所述光纤的传输模式的特征为在金纳米线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.根据权利要求1所述的一种基于金纳米线的SPP光纤，其特征在于：所述光纤激发的传输模式分量特征为：任意一种在光纤平端面所激发的传输模式，其分量大小取决于模场匹配的相关程度。

8.一种基于金纳米线的SPP光纤制备方法，其特征在于，SPP光纤的制备步骤为：

1)选择合适的薄皮光纤预制棒，腐蚀掉表面包层后，根据金丝的形状进行打孔，插入合适大小的金丝，加热缩棒，拉制成合适的含有金丝预制构件；

2)多次重复步骤1)，将重复制备的预制构件插入腐蚀掉表面包层并打孔后的光纤预制棒，加热缩棒，拉制成所需的内含微米金丝纤芯预制棒；

3)选择包层石英棒进行打孔，将步骤2)中的纤芯预制棒插入孔中，加热缩棒，直至最终拉制出指定折射率分布大小的SPP光纤，该光纤中光波导为单模光纤芯，内含纳米金丝。