CN109752798B - 基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器。其特征是：所述的光学天线主要由一段同轴双波导光纤1组成，同轴双波导光纤1的一个纤端经过研磨形成纤端圆锥台2，而纤端圆锥台2的端面上沉积有二维阵列金属光学天线3；这里，同轴双波导光纤1包含包层4、中央纤芯5以及环形纤芯6，包层4、中央纤芯5和环形纤芯6三者的中心同轴；一方面，中央纤芯5(或环形纤芯6)传输的传导光波7直接(或经过纤端圆锥台2全内反射后)作用在二维阵列金属光学天线3上，两者相互作用后激发出光辐射场信号8；另一方面，光辐射场信号8作用于二维阵列金属光学天线3后形成信号光波9，然后直接被中央纤芯5接收或者经过纤端圆锥台2收集后被环形纤芯6接收。本发明可用于光电探测、传感、热传导、太阳能电池、以及光谱分析等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器，可用于光电探测、传感、热传导、太阳能电池、以及光谱分析等领域，属于纳米光学技术领域。
(二)背景技术
随着时代的发展，人们对天线尺寸小型化的要求不断提高，导致微波射频天线的概念被引入到光频段，产生了亚波长元素所构成的纳米光学天线。然而，波长越短，天线的结构越小，在可见光和近红外光波段，电磁波的波长已经小至纳米量级，要实现纳米光学天线的应用，比如将光波高效地耦合到纳米量级器件中并非易事。此外，由于衍射极限的存在也极大的限制了天线的设计。而纳米光学天线的出现则解决了这一衍射极限问题。当光波入射到物体表面时，除了光的折射、反射和衍射现象之外，还有一部分被称为“隐失波”的光波沿物体表面传播。隐失波相比其它传播方式包含了更多限制，使传统透镜无法对其进行捕捉。通过捕捉隐失波的信号，可以突破衍射极限的限制，使纳米光学天线可以实现超衍射极限成像。例如，金属纳米颗粒在光波段具有局域表面等离激元共振的特性，使其可以突破衍射极限，实现纳米尺度范围内的光场操控，因此这些金属纳米结构可以作为纳米光学天线。
在光纤端面制备金属纳米结构并实现传感器功能已经有较多的研究报道。由于光纤本身具有芯细、体长等物理特征，将光纤端面作为支撑金属光子结构的基底对制备工艺而言是巨大的挑战。2012年，Yang等利用干涉光刻结合电子束蒸镀的方法在纤芯直径为50μm的多模光纤端面制备了周期为317nm、纳米柱直径为160nm的银纳米柱阵列结构(Opt.Express,2012,20(22):24189-24826)；2015年，Xie等利用双光子光刻结合真空蒸镀和紫外脉冲激光辐射的方法，在光纤端面制备出了3D类雷达结构的SERS传感器(Adv.Opt.Mater.,2015,3(9):1232-1239)。这些方法为在光纤端制备光学天线提供了具有重要参考价值的技术途径。
为了拓展纤端光学天线器件的功能和实现方法，本发明公开了一种基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器及其制备方法，可用于光电探测、传感、热传导、太阳能电池、以及光谱分析等领域。与在先技术相比，本发明通过光纤端微加工技术，在光纤端生成强聚焦纤端干涉光场，一方面，可以借助于该干涉光场对金属原子气体的操控，制备出纤端金属光学天线。该纤端光学天线在光纤波导光场的激发下，又进一步激发出可增强光与物质相互作用的等离子波，可极大地提高探测灵敏度；另一方面，在光纤端生成的强聚焦干涉光场又具有光镊的功能，可用于待探测微纳粒子(或分子团)的俘获与局域化操控。这就同时既解决了光学天线制备的技术，又解决了待测物质纳米局域化这两大难题。此外，三纤芯结构既可用于光激发与光发射通道，还可用于作为探测接收的后向散射或反射信号光的通道。该纤端光学天线作为一种特殊的等离子激元的修饰结构，能够与光纤波导传输的光发生直接或间接的相互作用，从而实现更高的探测精度和灵敏度，具有更加广泛的应用前景。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器。
本发明的目的是这样实现的：
该器件主要由一段同轴双波导光纤1组成，同轴双波导光纤1的一个纤端经过研磨形成纤端圆锥台2，而纤端圆锥台2的端面上沉积有二维阵列金属光学天线3；这里，同轴双波导光纤1包含包层4、中央纤芯5以及环形纤芯6，包层4、中央纤芯5和环形纤芯6三者的中心同轴；一方面，中央纤芯5(或环形纤芯6)传输的传导光波7直接(或经过纤端圆锥台2全内反射后)作用在二维阵列金属光学天线3上，两者相互作用后激发出光辐射场信号8；另一方面，光辐射场信号8作用于二维阵列金属光学天线3后形成信号光波9，然后直接被中央纤芯5接收或者经过纤端圆锥台2收集后被环形纤芯6接收。
下面将详细阐述基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器的光场干涉汇聚和金属原子沉积纳米结构的工作原理。假设同轴双波导光纤环形纤芯厚度为dc，环形纤芯距光纤中心的距离为d1，圆台形纤端的直径为de，圆锥台的张开角(底角)为θ，如图2所示。当同轴双波导光纤环形纤芯导模经过圆锥台纤端结构时，光聚焦的工作原理如下：假设外界媒质折射率nm小于纤芯折射率n1，因此当圆台的张开角θ满足一定条件时，多波导结构光纤导模会在包层与外界媒质的界面处(Z＝Z1)发生全内反射(Total internal reflection,TIR)，从而形成反射光场；反射光波在圆台包层内衍射传输到达圆台端面(Z＝Z2)，然后衍射波在纤端发生折射形成折射场，最后在外界媒质中传输一段距离后在Z轴上发生汇聚，此时的汇聚点假设为原点，在聚焦面(Z＝0)上就形成了强聚焦干涉光场。为了确保光波在圆锥台纤端发生全内反射，根据斯涅尔定理(Snell law)和简单的角度关系，圆台的张开角θ和出射光纤的汇聚角
需要满足以下关系：
θ＞θc＝arcsin(nm/n1) (1)
这里θc表示光波入射到圆台与外界媒质分界面上的全反射临界角。由以上分析不难发现，光波在经过光纤圆锥台纤端结构时发生了两次汇聚，因此我们可把圆锥台纤端等效为一个有效数值孔径和有效焦距分别为NAe和fe的透镜。由(2)式可知，
从图2中可看出，一般情况下，fe＞|Z2|，聚焦光场的焦点处于光纤端外部；而当焦点处于光纤端上时，圆台形纤端的直径de需满足如下关系：
图3给出了同轴双波导光纤通过圆锥台纤端结构形成的贝塞尔干涉光场。由此可以推断，当满足公式(5)时，同轴双波导光纤端面位于光聚焦的焦平面上，从而构成形如如图3所示的二维周期性同心圆环光场。
激光会聚原子沉积纳米结构的原理可用偶极子模型来阐述。在一个非均匀的光场中，中性原子会被光波的交变电场感应形成偶极子；原子偶极子与光场的相互作用可用一个保守势来描述。如果激光强度足够低，并且激光频率相对于原子共振频率的失谐足够大，以致于基本不产生原子的激发态，那么一个二能级原子的偶极子在光场中具有势能为：
式中为Γ原子跃迁的自然线宽(单位：rad/s)，δ为光波频率对原子共振频率的失谐量(单位：rad/s)，I(x,y,z)为空间中光场强度分布，Is为与原子跃迁相关的饱和强度。如果光波频率低于原子共振频率(δ＜0，称为“红失谐”)，原子偶极子的势能U(x,y,z)＜0，在光学力
的作用下，原子向激光强度高的方向加速；相反，如果光波频率高于原子共振频率(δ＞0，称为“蓝失谐”)，原子偶极子的势能U(x,y,z)＞0，在光学力Fd的作用下，原子向光强度低的方向加速。因此，在图3所示的周期性光场中，中性原子在横向光学力的作用下，被稳定的捕获在力学平衡点处，并在捕获点处发生原子堆积。在周期性横向光学力的作用下，中性原子不断堆积形成周期性光栅结构，在理想情况下，这种光栅结构与干涉场形状结构参数相关，不同的干涉场可生成具有不同周期性结构的光学天线。
(四)附图说明
图1是基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器的工作原理示意图。
图2是同轴双波导光纤圆锥台纤端光汇聚干涉工作原理示意图。
图3是光波在同轴双波导光纤圆锥台纤端上的干涉图样。
图4是同轴双波导光纤制备示意图。
图5是同轴双波导光纤纤端研磨示意图。
图6是基于原子光刻技术的同轴双波导光纤纤端光学天线的制备示意图。
图7是基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器的装置示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，本发明实施方式具有主要由一段同轴双波导光纤1组成，同轴双波导光纤1的一个纤端经过研磨形成纤端圆锥台2，而纤端圆锥台2的端面上沉积有二维阵列金属光学天线3；这里，同轴双波导光纤1包含包层4、中央纤芯5以及环形纤芯6，包层4、中央纤芯5和环形纤芯6三者的中心同轴；一方面，中央纤芯5(或环形纤芯6)传输的传导光波7直接(或经过纤端圆锥台2全内反射后)作用在二维阵列金属光学天线3上，两者相互作用后激发出光辐射场信号8；另一方面，光辐射场信号8作用于二维阵列金属光学天线3后形成信号光波9，然后直接被中央纤芯5接收或者经过纤端圆锥台2收集后被环形纤芯6接收。
基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器的制备过程可分为以下三个步骤(见图4-图5)：
步骤1、同轴双波导光纤制备(见图4)。先采用MCVD制棒方法制备含有中心孔10和内壁环形芯层11的中空环形芯光纤预制棒构件；然后把含有圆形中央芯层的光纤预制棒12嵌入中空环形芯光纤预制棒构件中组合成新的同轴双波导光纤预制棒；最后把制备好的同轴双波导光纤预制棒放置于光纤拉丝塔上进行光纤拉制13，最后拉制出同轴双波导光纤1。
步骤2、光纤端研磨(见图5)。用光纤夹具14固定好同轴双波导光纤1，然后把纤端放置于研磨盘15上，光纤夹具14与光纤研磨盘15各连接有一个直流电机驱动使其绕各自的中轴自转；保持同轴双波导光纤1与研磨盘15盘面法线呈固定夹角θ，通过光纤夹具14和研磨盘15的自转即可研磨出张开角为θ的纤端圆锥台2。
步骤3、纤端光学天线制备(见图6)。这里将采用原子光刻技术来实现纤端光学天线的制备，将制备的同轴双波导光纤圆锥台纤端2对准原子炉16的喷口，然后向同轴双波导光纤1的环形纤芯6中通入激光后形成环形传导光波7，再经过纤端圆锥台2全内反射后，交汇在光纤端面形成强聚焦干涉光场17，当由原子炉16中喷射出的中性金属原子束18经过激光束19的准直和冷却后射向同轴双波导光纤1纤端时，金属原子束18在强聚焦干涉光场17的周期性光学力20的作用下，其密度分布被调控，形成与光场强度分布一致的周期性结构，使得金属原子沉积在光纤端的光场干涉区，形成二维阵列金属光学天线3。
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
步骤1、光学天线制备：按照实施方式的同轴双波导光纤制备、光纤端研磨和纤端光学天线制备的步骤制备同轴双波导光纤及其纤端光学天线(见图4-图6)；
步骤2、光波输入与输出。在环形芯同轴双波导光纤1中环形纤芯6的光源输入与输出由侧抛光纤耦合器21来实现。该耦合器由包层经过抛磨的单模光纤22和环形芯同轴双波导光纤1组成，由于两个侧抛面23紧密靠在一起，使单模光纤纤芯24与环形芯同轴双波导光纤1的环形纤芯6距离足够近，当向单模光纤22输入激光25后，单模光纤22传输的光波就可以直接耦合到环形芯同轴双波导光纤1的环形纤芯6中，并形成环形纤芯导模7，如图7所示。同理，利用侧抛光纤耦合器21也可实现环形纤芯6传输的光波输出。
步骤3、信号激发与收集。通过侧抛光纤耦合器21可以把光波耦合到同轴双波导光纤1的中央纤芯5或者环形纤芯6中，这样，在中央纤芯5或者环形纤芯6中传输的传导光波7经过纤端圆锥台2后作用于纤端的光学天线3上，实现光辐射场信号8激发；而当光辐射场信号8作用于二维阵列金属光学天线3后形成信号光波9，然后直接被中央纤芯5接收或者经过纤端圆锥台2收集后被环形纤芯6接收。这样就实现的对光辐射场信号8的激发与收集。
Claims (5)
1.基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器，其特征是：所述光学纳米天线探测器主要由一段同轴双波导光纤（ 1） 组成，同轴双波导光纤（ 1） 的一个纤端经过研磨形成纤端圆锥台（ 2） ，而纤端圆锥台（ 2） 的端面上沉积有二维阵列金属光学天线（ 3） ；这里，同轴双波导光纤（ 1） 包含包层（ 4） 、中央纤芯（ 5） 以及环形纤芯（ 6） ，包层（ 4） 、中央纤芯（ 5） 和环形纤芯（ 6） 三者的中心同轴；一方面，中央纤芯（ 5） 或环形纤芯（ 6）传输的传导光波（ 7） 直接或经过纤端圆锥台（ 2） 全内反射后作用在二维阵列金属光学天线（ 3） 上，两者相互作用后激发出光辐射场信号（ 8） ；另一方面，光辐射场信号（ 8）作用于二维阵列金属光学天线（ 3） 后形成信号光波（ 9） ，然后直接被中央纤芯（ 5） 接收或者经过纤端圆锥台（ 2） 收集后被环形纤芯（ 6） 接收， 其中，二维阵列金属光学天线（ 3） 采用原子光刻技术来制备，将纤端圆锥台（ 2） 对准原子炉的喷口，然后向同轴双波导光纤（ 1） 的环形纤芯（ 6） 中通入激光后形成环形传导光波，再经过纤端圆锥台全内反射后，交汇在光纤端面形成强聚焦干涉光场，当由原子炉中喷射出的中性金属原子束经过激光束的准直和冷却后射向同轴双波导光纤（ 1） 纤端时，金属原子束在强聚焦干涉光场的周期性光学力的作用下，其密度分布被调控，形成与光场强度分布一致的周期性结构，使得金属原子沉积在光纤端的光场干涉区，形成二维阵列金属光学天线（ 3） 。
2.根据权利要求1所述的基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器，其特征是：所述的基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器的制备方法如下：(1)先采用组棒法制作同轴双波导光纤预制棒并放置于光纤拉丝塔上拉制出同轴双波导光纤；(2)取一段同轴双波导光纤，用光纤夹具固定其一端，然后把纤端放置于光纤研磨盘上，光纤夹具与光纤研磨盘都能绕各自的中轴自转，通过控制同轴双波导光纤与光纤研磨盘盘面法线的夹角来制备具有不同张开角的纤端圆锥台。
3.根据权利要求1所述的基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器，其特征是：同轴双波导光纤纤端圆锥台的底角θ满足以下关系：θ≥arcsin(nm/n1)，其中nm为光纤纤端周围环境的折射率，n1为环形纤芯的折射率。
4.根据权利要求1所述的基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器，其特征是：所述的纤端圆锥台也可以是旋转对称弧形圆台。
5.根据权利要求2所述的基于同轴双波导光纤的光学纳米天线探测器，其特征是：所述的同轴双波导光纤的环形纤芯中的传输光波经过纤端圆锥台全内反射后，也可以交汇在纤端圆锥台的内部。
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2017
- 2017-11-03 CN CN201711071782.8A patent/CN109752798B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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