CN115236795B - 一种超表面的制作方法及光纤端面超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超表面的制作方法及光纤端面超表面，其中，该方法包括：为主光纤的目标端面接合副光纤，所述目标端面设有周期排列的多个纳米结构；对所述主光纤与所述副光纤的接合部位进行熔融拉锥处理；去除所述副光纤，基于熔融拉锥处理后的所述主光纤得到光纤端面超表面。通过本发明实施例提供的超表面的制作方法及光纤端面超表面，通过熔融拉锥的方式改变主光纤的直径，从而改变目标端面上纳米结构之间的间距，使得熔融拉锥后的目标端面上的纳米结构具有更小的间距，从而改变了目标端面处超表面的调制效果，制作得到具有其他调制效果的光纤端面超表面。该制作方法加工简单、可控自由度高、器件成型简单。
Description
技术领域
本发明涉及超表面技术领域，具体而言，涉及一种超表面的制作方法及光纤端面超表面。
背景技术
超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，其分布有周期排列的多个纳米结构，从而形成多个超表面结构单元。其中，超表面结构单元包含至少一个纳米结构，可以调控光的相位、幅度和偏振等特性，从而实现调制入射光。
超表面在加工制作后，其调制效果一般是固定的，应用场景有限，不能满足多种需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种超表面的制作方法及光纤端面超表面。
第一方面，本发明实施例提供了一种超表面的制作方法，包括：
为主光纤的目标端面接合副光纤，所述目标端面设有周期排列的多个纳米结构；
对所述主光纤与所述副光纤的接合部位进行熔融拉锥处理；
去除所述副光纤，基于熔融拉锥处理后的所述主光纤得到光纤端面超表面，所述光纤端面超表面中纳米结构的间距小于所述目标端面中纳米结构的间距。
在一种可能的实现方式中，所述为主光纤的目标端面接合副光纤，包括：
为主光纤的目标端面熔接副光纤。
在一种可能的实现方式中，所述为主光纤的目标端面熔接副光纤，包括：
以多次瞬间放电熔接的方式，为主光纤的目标端面熔接副光纤。
在一种可能的实现方式中，所述多次瞬间放电熔接的放电次数为10～100次，每次放电时间为0.01～0.5秒。
在一种可能的实现方式中，所述副光纤与所述纳米结构材料不同。
在一种可能的实现方式中，所述副光纤无纤芯。
在一种可能的实现方式中，所述熔融拉锥处理的功率逐渐变小，拉伸速度逐渐增大。
在一种可能的实现方式中，所述去除所述副光纤，包括：
以等离子体放电的方式去除所述副光纤。
在一种可能的实现方式中，基于熔融拉锥处理后的所述主光纤位于等离子体放电的区域之外。
在一种可能的实现方式中，所述基于熔融拉锥处理后的所述主光纤得到光纤端面超表面，包括：
对熔融拉锥处理后的所述主光纤进行切割，得到光纤端面超表面。
在一种可能的实现方式中，该方法还包括：
将纳米结构加工至所述主光纤的端面，形成所述目标端面。
第二方面，本发明实施例还提供了一种光纤端面超表面，所述光纤端面超表面基于上述的超表面的制作方法制作而成。
在一种可能的实现方式中，所述光纤端面超表面为聚焦超表面，且所述光纤端面超表面的焦距满足：
f'＝f/a2；
其中，f'表示所述光纤端面超表面的焦距，f表示用于生成所述光纤端面超表面的目标端面的焦距，a表示所述目标端面的半径与所述光纤端面超表面的半径的比值。
本发明实施例上述第一方面提供的方案中，在主光纤具有纳米结构的目标端面接合副光纤，通过熔融拉锥的方式改变主光纤的直径，从而改变目标端面上纳米结构之间的间距，使得熔融拉锥后的目标端面上的纳米结构具有更小的间距，从而改变了目标端面处超表面的调制效果，制作得到具有其他调制效果的光纤端面超表面。该制作方法加工简单、可控自由度高、器件成型简单；基于该制作方法可以改变主光纤目标端面原始的调制效果，可以按照实际需求对主光纤进行熔融拉锥，得到所需的光纤端面超表面；并且，该制作方法还可应用于光纤探针等不易在端面加工纳米结构的细光纤，可以将光纤端面超表面应用于更多种类的光纤中。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的超表面的制作方法的流程图；
图2示出了本发明实施例所提供的主光纤的一种结构示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的主光纤接合副光纤后的整体结构示意图；
图4示出了本发明实施例所提供的熔融拉锥处理后的主光纤的结构示意图；
图5A示出了本发明实施例所提供的超表面的制作方法的一部分工艺流程示意图；
图5B示出了本发明实施例所提供的超表面的制作方法的另一部分工艺流程示意图；
图6示出了本发明实施例中由主光纤得到光纤端面超表面的过程示意图；
图7示出了本发明实施例所提供的主光纤端面超表面在熔融拉锥前后的部分相位分布对比图。
图标：
10-主光纤、20-副光纤、30-光纤端面超表面、11-纤芯、12-包层、13-纳米结构。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种超表面的制作方法，该制作方法利用熔融拉锥工艺制作得到所需的光纤端面超表面。参见图1所示，该制作方法包括：
步骤101：为主光纤的目标端面接合副光纤，目标端面设有周期排列的多个纳米结构。
本发明实施例中，主光纤和副光纤为两个端面需要接合的光纤，并且，该主光纤中需要接合的端面上设有周期排列的多个纳米结构，即该主光纤的端面本身即为光纤端面超表面；为方便描述，将该主光纤的端面称为目标端面。其中，光纤端面超表面是超表面的一个应用，可以将具有汇聚、模式转换、偏振态调控等功能的超表面集成在光纤端面。可选地，在步骤101之前，该制作方法还包括：将纳米结构加工至主光纤的端面，形成目标端面。例如，可以通过FIB(Focused Ion beam，聚焦离子束)工艺将纳米结构加工到主光纤的端面上。
该主光纤的一种结构示意图可参见图2所示。如图2所示，主光纤10包括纤芯11和位于纤芯11外表的包层12，纤芯11的折射率大于包层12的折射率；为方便执行后续熔融拉锥处理的过程，该主光纤10和副光纤均不包含涂覆层。并且，在主光纤10的端面(即目标端面)设有周期排列的多个纳米结构13，形成光纤端面超表面。如图2所示，在主光纤10的右端面设有多个纳米结构13，该主光纤10的右端面即为目标端面，该主光纤10即为一种光纤端面超表面。一般情况下，纳米结构13主要位于纤芯11的表面。
并且，该主光纤的目标端面需要接合副光纤，该目标端面接合副光纤的一个端面，形成端面接合的整体结构，该整体结构的结构示意图可参见图3所示。如图3所示，主光纤10的右端面为具有纳米结构13的目标端面，将副光纤20的左端面与该目标端面接合，从而形成该整体结构，实现两根光纤的接合。
需要说明的是，虽然主光纤本身即为一种光纤端面超表面，但主光纤并不是本发明实施例所提供的制作方法所制作得到的最终产物，该制作方法用于利用该主光纤制作得到另一种光纤端面超表面。
步骤102：对主光纤与副光纤的接合部位进行熔融拉锥处理。
本发明实施例中，主光纤与副光纤的接合部位即为主光纤与副光纤端面相连的部位，基于熔融拉锥工艺对该接合部位进行熔融拉锥处理，将该接合部位拉成锥形结构。在熔融拉锥过程中，通过控制熔融功率和拉伸速度、位置，来控制拉锥后光纤(例如，主光纤)的直径以及该锥形结构的平整度。可选地，为保证较好的平整度，该熔融拉锥处理的功率逐渐变小，拉伸速度逐渐增大。例如，可以通过激光器实现加热熔融，该激光器的功率逐渐变小；并且，在横向拉伸主光纤和副光纤时，拉伸速度逐渐增大。其中，功率和拉伸速度的变化都是非线性的。
步骤103：去除副光纤，基于熔融拉锥处理后的主光纤得到光纤端面超表面，该光纤端面超表面中纳米结构的间距小于目标端面中纳米结构的间距。
本发明实施例中，在保留主光纤目标端面上纳米结构的条件下，去除熔融拉锥后的副光纤，该熔融拉锥处理后的主光纤的目标端面仍然是一种超表面。主光纤经熔融拉锥处理后，纤芯半径变小，其目标端面的纳米结构的尺寸不变，但纳米结构之间的间距变小了，即熔融拉锥后得到的光纤端面超表面中纳米结构的间距小于目标端面中纳米结构的原始间距。其中，熔融拉锥后纳米结构的间距大小主要由熔融拉锥过程决定，例如，通过控制熔融拉锥机来控制拉锥后主光纤的直径大小。
熔融拉锥处理后的主光纤的结构示意图可参见图4所示，在经熔融拉锥处理后，主光纤10的接合部位被拉伸，其目标端面尺寸变小，进而纳米结构13的间距变小，使得熔融拉锥后的目标端面与熔融拉锥前的目标端面具有不同的调制效果。可选地，在得到熔融拉锥处理后的主光纤后，可以只将主光纤的目标端面附近的结构作为最终所需的光纤端面超表面。如图4所示，可以对熔融拉锥处理后的主光纤10进行切割，将目标端面的一端作为最终制作得到的光纤端面超表面30。
本发明实施例提供的一种超表面的制作方法，在主光纤具有纳米结构的目标端面接合副光纤，通过熔融拉锥的方式改变主光纤的直径，从而改变目标端面上纳米结构之间的间距，使得熔融拉锥后的目标端面上的纳米结构具有更小的间距，从而改变了目标端面处超表面的调制效果，制作得到具有其他调制效果的光纤端面超表面。该制作方法加工简单、可控自由度高、器件成型简单；基于该制作方法可以改变主光纤目标端面原始的调制效果，可以按照实际需求对主光纤进行熔融拉锥，得到所需的光纤端面超表面；并且，该制作方法还可应用于光纤探针等不易在端面加工纳米结构的细光纤，可以将光纤端面超表面应用于更多种类的光纤中。
可选地，本发明实施例中，采用熔接的方式，接合主光纤与副光纤的两个端面。即，上述步骤101“为主光纤的目标端面接合副光纤”包括：
步骤A1：为主光纤的目标端面熔接副光纤。
可选地，传统的熔接方式为长时间放电，但这种熔接方式容易破坏纳米结构，本发明实施例对熔接方式进行改进，以使其更适用于本实施例提供的制作方法。具体地，上述步骤A1“为主光纤的目标端面熔接副光纤”包括：
步骤A11：以多次瞬间放电熔接的方式，为主光纤的目标端面熔接副光纤。
本发明实施例中，在熔接主光纤与副光纤的两个端面时，采用多次瞬时放电熔接的方式，即需要经过多次熔接，且每次熔接的时间都比较短，从而可以保护纳米结构。可选地，该多次瞬间放电熔接的放电次数为10～100次，每次放电时间为0.01～0.5秒。例如，放电次数为40、50、70次等，每次放电时间为0.02秒、0.05秒、0.2秒等。
可选地，副光纤与纳米结构材料不同。
本发明实施例中，为避免熔融拉锥过程中纳米结构与副光纤融合在一起，导致后续不易分离出该副光纤，本实施例中的副光纤与纳米结构的材料不同。可选地，为避免主光纤与副光纤的纤芯融合，该副光纤无纤芯，即该副光纤没有纤芯，其为无纤芯光纤(noncorefiber)，只具有包层。如图3所示，该副光纤20整体均为包层。
可选地，上述步骤103中“去除副光纤”的过程具体包括：
步骤B1：以等离子体放电的方式去除副光纤。
本发明实施例中，可以利用等离子体发生器实现等离子体放电，等离子体与副光纤(例如，副光纤的包层)发生反应，从而可以去除该副光纤。
此外可选地，为了避免去除副光纤的过程对主光纤造成影响，例如误去除掉主光纤的包层，在上述步骤B1的过程中，将熔融拉锥处理后的主光纤置于等离子体放电的区域之外，使得主光纤可以不受等离子体的影响。例如，可以将主光纤置于PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)中进行保护，在去除副光纤后再用丙酮等溶液洗掉。
下面通过一个实施例详细介绍该超表面的制作方法的流程。参见图5A-图5B所示，该制作方法包括：
步骤501：在主光纤10的端面加工多个周期排列的纳米结构13，形成目标端面。
如图5A所示，主光纤10包括纤芯11和包层12，在该纤芯11的端面加工多个纳米结构13，形成目标端面。
步骤502：选用无纤芯光纤作为副光纤20，将主光纤10与副光纤20的端面对齐。
步骤503：采用多次瞬间放电熔接的方式，熔接主光纤10和副光纤20。
步骤504：对主光纤10与副光纤20的接合部位进行熔融拉锥处理。
本发明实施例中，采用激光熔融的方式对接合部位进行加热；并且，主光纤10、副光纤20在位移平台的作用下相背拉伸。如图5A所示，向左拉伸主光纤10，向右拉伸副光纤20。
步骤505：通过控制熔融拉锥的程度，得到直径符合需求的融合光纤。
如图5B所示，经熔融拉锥后接合部位被拉伸为锥形结构；待该锥形结构的直径符合需求时，即可停止熔融拉锥。
步骤506：以等离子体放电的方式去除副光纤20，剩下的即为熔融拉锥处理后的主光纤10。
步骤507：对熔融拉锥处理后的主光纤10进行切割。
步骤508：得到光纤端面超表面30。
如图5B所示，该光纤端面超表面30也具有纤芯11和包层12，纤芯11的端面具有多个周期排列的纳米结构13；与主光纤10相比，该光纤端面超表面30的尺寸更小，纳米结构13之间的间距也更小，二者具有不同的调制效果。
本发明实施例还提供一种光纤端面超表面，该光纤端面超表面是基于上述实施例提供的制作方法制作而成。
可选地，主光纤为聚焦超表面，基于上述的制作方法，该主光纤经熔融拉锥后得到本实施例提供的光纤端面超表面。相应地，该光纤端面超表面也为聚焦超表面。与主光纤相比，该光纤端面超表面的纤芯半径更小，纳米结构的间距更小，二者的焦距不同。
具体地，在熔融拉锥之前，该主光纤的焦距为f，其相位分布满足下式(1)：
其中，表示与主光纤目标端面中心之间的距离为r的位置处的相位，λ表示所调制光线的波长。
经熔融拉锥后，主光纤的端面半径变小，设主光纤的目标端面的原始半径与熔融拉锥后得到的光纤端面超表面的半径的比值为a，对于在在熔融拉锥前位于位置r处的纳米结构，在熔融拉锥后，该纳米结构位于r/a的位置处，基于上式(1)可得，该熔融拉锥后得到的光纤端面超表面的相位分布可以下式(2)表示：
其中，f'表示熔融拉锥后得到的光纤端面超表面的焦距。
基于上式(1)和(2)，并通过近似处理，可得熔融拉锥前后焦距(f和f')之间的关系：
f'≈f/a2 (3)
在误差允许的情况下，可以认为焦距f与f'满足下式(4)：
f'＝f/a2 (4)
因此，本发明实施例提供的光纤端面超表面具有变焦功能。由于a>1，故该光纤端面超表面的焦距能够变小。
下面通过一个实施例详细介绍能够变焦的光纤端面超表面。
本发明实施例中，图6示出了由主光纤10得到不同焦距的光纤端面超表面30的过程。参见图6所示，主光纤10为标准多模光纤，其纤芯11直径为65um(微米)，包层12外直径为标准的125um，纤芯11和包层12折射率分别为1.444和1.442，该主光纤10端面设置多个纳米结构13，起到聚焦作用，工作波长为555nm，该主光纤10具体可用于高功率激光器探头。其中，该纳米结构13为圆柱形，材料为SiN(氮化硅)，高度为500nm，间距为400nm；经设计，该主光纤10端面超表面的焦距为3mm，测试得到该主光纤10端面超表面的焦距实际为2.9mm，即f＝2.9mm。
本实施例选用的副光纤为无纤芯光纤，其直径为125um，并利用光纤熔接机实现主光纤与副光纤的端面熔接；其中，光纤熔接机设置放电时间为0.02s，放电次数设置为50次，完成多模光纤与无纤芯光纤的熔接。假设，若当前需要焦距为1mm的光纤端面超表面，即f'＝1mm，基于上式(4)可知，该主光纤10的纤芯11的直径应该调整为37.5um，即熔融拉锥后，主光纤10的纤芯11的直径变为37.5um。
在熔接后，对熔接的光纤进行熔融拉锥处理。本实施例采用激光熔融的方式，激光器的功率设置为从1.2W上升至2W，两个相背拉伸的位移平台的速度分别为-2um/s和3um/s，最终得到拉锥后多模光纤的纤芯直径为37.3um。如图6所示，熔融拉锥后得到的光纤端面超表面30也包含纤芯11和包层12，此时该纤芯11的直径为37.3um。熔融拉锥前后，主光纤10端面超表面的部分相位分布对比可如图7所示。图7中横坐标表示端面超表面的位置，纵坐标表示相位(单位：rad)；图7中的实线表示熔融拉锥前该主光纤10端面超表面的原始相位分布，虚线表示熔融拉锥后该主光纤10端面超表面的相位分布，即所得的光纤端面超表面30的相位分布。
将熔融拉锥后得到的光纤端面超表面30激光器，进行焦距测试，测的该光纤端面超表面30的焦距实际为1.1mm(如图6所示)，满足设计要求。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (13)
1.一种超表面的制作方法，其特征在于，包括：
为主光纤的目标端面接合副光纤，所述目标端面设有周期排列的多个纳米结构；
对所述主光纤与所述副光纤的接合部位进行熔融拉锥处理；
去除所述副光纤，基于熔融拉锥处理后的所述主光纤得到光纤端面超表面，所述光纤端面超表面中纳米结构的间距小于所述目标端面中纳米结构的间距。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述为主光纤的目标端面接合副光纤，包括：
为主光纤的目标端面熔接副光纤。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述为主光纤的目标端面熔接副光纤，包括：
以多次瞬间放电熔接的方式，为主光纤的目标端面熔接副光纤。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述多次瞬间放电熔接的放电次数为10～100次，每次放电时间为0.01～0.5秒。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述副光纤与所述纳米结构材料不同。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述副光纤无纤芯。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述熔融拉锥处理的功率逐渐变小，拉伸速度逐渐增大。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述去除所述副光纤，包括：
以等离子体放电的方式去除所述副光纤。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，熔融拉锥处理后的所述主光纤位于等离子体放电的区域之外。
10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述基于熔融拉锥处理后的所述主光纤得到光纤端面超表面，包括：
对熔融拉锥处理后的所述主光纤进行切割，得到光纤端面超表面。
11.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，还包括：
将纳米结构加工至所述主光纤的端面，形成所述目标端面。
12.一种光纤端面超表面，其特征在于，所述光纤端面超表面基于权利要求1-11任意一项所述的超表面的制作方法制作而成。
13.根据权利要求12所述的光纤端面超表面，其特征在于，所述光纤端面超表面为聚焦超表面，且所述光纤端面超表面的焦距满足：
f'＝f/a2；
其中，f'表示所述光纤端面超表面的焦距，f表示用于生成所述光纤端面超表面的目标端面的焦距，a表示所述目标端面的半径与所述光纤端面超表面的半径的比值。
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