CN108132505A - 一种用于微带探针的光纤端面耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种用于微带探针的光纤端面耦合器，所述光纤端面耦合器包括金属面屏和插槽，所述插槽的形状为圆柱形，所述插槽的直径与待插接光纤的外径相同，所述光纤插入杯状插槽使其嵌入插槽中；所述插槽的底部外面设置所述金属面屏，所述金属面屏的中心开一个供微带探针装配的安装孔，所述安装孔贯穿所述金属面屏，所述光纤、金属面屏、插槽、微带探针处在同一光轴上。本发明提供了一种用于微带探针的光纤端面耦合器，使得微带探针能够与传输光纤耦合连接，提高等离子体激元的激励能效，并大幅度降低系统调整难度，推进微带探针的实用化。

Description

一种用于微带探针的光纤端面耦合器
技术领域
本发明属于基于微探针的光电检测领域，尤其涉及一种与微带探针进行光学耦合的新型光纤端面耦合器。
背景技术
微探针多指用于高精度光电检测领域的光学微结构探头，比如目前常用的光纤探针。光纤探针直接在光纤末端进行加工，直接与光纤相连，甚至是光纤的一部分，配合使用成熟的二极管激光系统和光纤激光器产生所需的高斯光束，组成系统十分方便，然而在光强、分辨率、探测微区尺寸等很多方面存在不足。基于金属-绝缘体-金属波导结构的微带探针是最近提出的一种新型微探针，其本质为一种基于表面等离子体激元的纳米结构，具有本地激励能效高、尺寸小、损耗低等优点。微带探针可以实现超越衍射极限分辨率的效果，因此在超分辨率成像、光通信、超高密度数据存储等领域都有很好的应用前景。微带探针一经提出，就引发了很多研究者的兴趣，对其进行了理论和实验方面的研究以验证其优越性(S.Kawata,Y.Inouye,P.Verma,Plasmonics for near-field nano-imaging andsuperlensing,2009,Nat.Photonics 3,388–394)，其优点是金属-绝缘体-金属波导结构中金属化部分短，因此损耗很低；另外等离子体激励的能效高。最大的缺点是与光能的传输通道连接非常困难，无法达到实用化的目的。因此，发明一种能将微带探针与传输光纤耦合连接，且光能量耦合效率高、结构简单、易于实现的新型耦合器件是十分重要的，能有效推进微带探针的实用化，在超分辨光学系统、生物检测、光通信等领域发挥作用。
发明内容
为了克服已有技术使用激光直接照射来激发等离子体激元存在的光学系统调整非常复杂、通用性很差、且光能耦合效率很低、无法实际应用的不足，本发明提供了一种用于微带探针的光纤端面耦合器，使得微带探针能够与传输光纤耦合连接，提高等离子体激元的激励能效，并大幅度降低系统调整难度，推进微带探针的实用化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于微带探针的光纤端面耦合器所述光纤端面耦合器包括金属面屏和插槽，所述插槽的形状为圆柱形，所述插槽的直径与待插接光纤的外径相同，所述光纤插入杯状插槽使其嵌入插槽中；所述插槽的底部外面设置所述金属面屏，所述金属面屏的中心开一个供微带探针装配的安装孔，所述安装孔贯穿所述金属面屏，所述光纤、金属面屏、插槽、微带探针处在同一光轴上。
进一步，所述插槽为杯状插槽。这是一种可以选择的结构形式。
再进一步，所述安装孔为方形孔。这是常用的一种形状，适配于微带探针的形状。
更进一步，所述杯状插槽的杯底外面为光滑平面，所述光滑平面上生长一层金属薄膜，形成所述金属面屏。这是一种金属面屏的生成方式。
优选的，所述杯状插槽的材料为光塑性的环氧型SU-8光刻胶。
所述金属薄膜的材料为铝材料。
所述方形孔的尺寸由所述微带探针的尺寸决定，同时，所述金属面屏上的方形孔的尺寸使得只有TE10模能够在方形孔中传播。
所述微带探针的结构尺寸、金属面屏的厚度、金属面屏上方形孔的尺寸由下列公式计算得出：
其中：
w＝b/2,u＝b/2+t (4)
其中，γ是复传播常数，ω是电磁波的角频率，εd代表二氧化硅材料的介电常数、εm代表铝材料的介电常数、εa代表空气的介电常数，b代表微带探针中绝缘体的厚度，t代表微带探针中金属层的厚度，h代表磁场强度函数，ceff_1代表能量传递函数，P和P0分别是金属面屏前后的辐射能流。
所述杯状插槽的尺寸由与微带探针耦合连接的光纤的尺寸决定，使得杯状插槽能够固定住光纤，所述杯状插槽的杯底的外侧平面与带有方形孔的金属面屏相接。
所述方形孔固定住微带探针使微带探针与光纤端面耦合器相连，所述光能量通过光纤传输进入光纤端面耦合器，并通过端面耦合的方法激发出微带探针结构的等离子体。
本发明的有益效果主要表现在：(1)使微带探针像普通光纤探针那样，通过耦合器直接与光纤耦合连接，结构简单，使用方便；(2)等离子体激元的本地激励能效高；(3)微带探针金属化尺寸短，因此损耗很低；(4)方便与现有商用化的半导体激光器结合，形成大功率高斯光束，以实现其实用化，满足微带探针在超分辨光学系统、生物检测等领域中的应用。
附图说明
图1是光纤端面耦合器的三维结构示意图，其中，1代表光纤，2代表杯状插槽，3代表金属面屏，4代表金属面屏上的方形孔。
图2是光纤端面耦合器结构设计示意图，其中，(a)是插入光纤侧的视图、(b)是插入微带探针侧的视图、(c)是光纤端面耦合器的俯视图，d1表示杯状插槽的内径，d2表示杯状插槽的外径；a表示金属面屏上方形孔的长，u表示金属面屏上方形孔的宽；L1表示嵌入杯状插槽的光纤长度，L2表示杯状插槽的杯体总长度，L3表示金属面屏的厚度，L4表示杯状插槽的杯底厚度，L5、t和b分别代表微带探针的长度、金属层的厚度和绝缘体的厚度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种用于微带探针的光纤端面耦合器，由金属面屏3和一个杯状插槽2构成。所述杯状插槽2的形状为圆柱形，其直径与光纤1的外径相同，所述光纤1插入杯状插槽2，使其恰好嵌入杯状插2槽中。所述杯状插槽2的杯底外面为光滑平面，所述光滑平面上生长一层金属薄膜，形成所述金属面屏3。所述金属面屏的中心开一个方形孔4，所述方形孔4贯穿整个金属薄膜。所述光纤1、金属面屏3、杯状插槽2、微带探针必须处在同一光轴上。
所述杯状插槽2的材料优选为光塑性的环氧型SU-8光刻胶。
所述金属薄膜的材料优选为铝材料。
所述金属面屏3上的方形孔4，是为了固定微带探针。所述金属面屏是用来抑制背景辐射，抑制背景辐射的目的是为了减少微带探针扫描探测时的背景辐射干扰，增大其探测精确度。
所述方形孔4的尺寸由所述微带探针的尺寸决定，同时，所述金属面屏上的方形孔的尺寸使得只有TE10模能够在方形孔中传播。
所述杯状插槽1的尺寸由与微带探针耦合连接的光纤的尺寸决定，须使得杯状插槽恰好能够固定住光纤，而所述杯状插槽的杯底的外侧平面与带有方形孔的金属面屏相接，所述方形孔固定住微带探针，总体效果是使微带探针与光纤耦合相连。
所述微带探针的结构尺寸、金属薄膜的厚度、金属面屏上方形孔4的尺寸由下列公式计算得出：
其中：
w＝b/2,u＝b/2+t (4)
其中，γ是复传播常数，ω是电磁波的角频率，εd代表二氧化硅材料的介电常数、εm代表铝材料的介电常数、εa代表空气的介电常数，b代表微带探针中绝缘体的厚度，t代表微带探针中金属层的厚度，h代表磁场强度函数，ceff_1代表能量传递函数，P和P0分别是金属面屏前后的辐射能流。
进一步地，所述光能量通过光纤传输进入光纤端面耦合器，并通过端面耦合的方法激发出微带探针结构的等离子体。
本实施例的用于微带探针的光纤端面耦合器由铝面屏和一个光塑性的SU-8光刻胶材料杯状插槽构成。所述杯状插槽的形状为圆柱形，其直径d1与光纤的外径相同，所述光纤插入杯状插槽，使其恰好嵌入杯状插槽中。所述杯状插槽的杯底外面为光滑平面，所述光滑平面上生长一层金属铝薄膜，形成所述铝面屏。光塑性SU-8光刻胶杯状插槽的外径d2与铝面屏的直径相等，因此SU-8光刻胶杯状插槽的底面与铝面屏重合。铝面屏的中心处有一个贯穿的方形孔，所述铝面屏上的方形孔，是为了固定微带探针，方形孔的长度a等于微带探针的宽度，方形孔的宽度u等于微带探针中绝缘体的厚度b，在实际使用中微带探针能够直接插入铝面屏。光纤、铝面屏、SU-8材料杯状插槽、微带探针必须处在同一光轴上，保证光纤通过端面耦合器直接与微带探针连接。同时由光纤入射的激光，通过端面耦合的方式在微带探针上激发出等离子体。
所述铝面屏是用来抑制背景辐射，抑制背景辐射的目的是为了减少微带探针扫描探测时的背景辐射干扰，增大其探测精确度。所述方形孔的尺寸由所述微带探针的尺寸决定，同时，所述铝面屏上的方形孔的尺寸使得只有TE10模能够在方形孔中传播。所述微带探针的结构尺寸、铝面屏的厚度、铝面屏上方形孔的尺寸由下列公式计算得出：
其中：
w＝b/2,u＝b/2+t (4)
其中，γ是复传播常数，ω是电磁波的角频率，εd代表二氧化硅材料的介电常数、εm代表铝材料的介电常数、εa代表空气的介电常数，b代表微带探针中绝缘体的厚度，t代表微带探针中金属层的厚度，h代表磁场强度函数，ceff_1代表能量传递函数，P和P0分别是铝面屏前后的辐射能流。

Claims (10)

1.一种用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述光纤端面耦合器包括金属面屏和插槽，所述插槽的形状为圆柱形，所述插槽的直径与待插接光纤的外径相同，所述光纤插入杯状插槽使其嵌入插槽中；所述插槽的底部外面设置所述金属面屏，所述金属面屏的中心开一个供微带探针装配的安装孔，所述安装孔贯穿所述金属面屏，所述光纤、金属面屏、插槽、微带探针处在同一光轴上。
2.如权利要求1所述的用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述插槽为杯状插槽。
3.如权利要求1或2所述的用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述安装孔为方形孔。
4.如权利要求2所述的用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述杯状插槽的杯底外面为光滑平面，所述光滑平面上生长一层金属薄膜，形成所述金属面屏。
5.如权利要求2或4所述的用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述杯状插槽的材料为光塑性的环氧型SU-8光刻胶。
6.如权利要求4所述的用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述金属薄膜的材料为铝材料。
7.如权利要求3所述的用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述方形孔的尺寸由所述微带探针的尺寸决定，同时，所述金属面屏上的方形孔的尺寸使得只有TE10模能够在方形孔中传播。
8.如权利要求7所述的用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述微带探针的结构尺寸、金属面屏的厚度、金属面屏上方形孔的尺寸由下列公式计算得出：
其中：
w＝b/2,u＝b/2+t (4)
其中，γ是复传播常数，ω是电磁波的角频率，εd代表二氧化硅材料的介电常数、εm代表铝材料的介电常数、εa代表空气的介电常数，b代表微带探针中绝缘体的厚度，t代表微带探针中金属层的厚度，h代表磁场强度函数，ceff_1代表能量传递函数，P和P0分别是金属面屏前后的辐射能流。
9.如权利要求2或4所述的用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述杯状插槽的尺寸由与微带探针耦合连接的光纤的尺寸决定，使得杯状插槽能够固定住光纤，所述杯状插槽的杯底的外侧平面与带有方形孔的金属面屏相接。
10.如权利要求9所述的用于微带探针的光纤端面耦合器，其特征在于：所述方形孔固定住微带探针使微带探针与光纤端面耦合器相连，所述光能量通过光纤传输进入光纤端面耦合器，并通过端面耦合的方法激发出微带探针结构的等离子体。
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