一種光纖表面等離子體激元激發(fā)聚焦裝置及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于納米光子學領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖徑向偏振光SPP激發(fā)聚焦裝置及 制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面等離子體激元（Surface Plasmon Polariton, SPP)是光和金屬表面的自由電 子相互作用從而激發(fā)的一種電磁場。它被強烈地約束在金屬表面，可在納米尺度上實現(xiàn)對 光超越衍射極限的操控，并實現(xiàn)局域近場增強效應，SPP的激發(fā)、傳播、聚焦已經(jīng)成為目前的 研究熱點。由于現(xiàn)代光學器件對小型化和集成化的需求不斷提高，而SPP具有低維度、高強 度和亞波長等特點，在納米光子學領(lǐng)域中有巨大應用潛力，被喻為最具希望的納米集成光 子器件載體。
[0003] 利用光纖作為載體的表面等離子激元器件，具有尺寸小、集成度高、光路靈活、柔 軟可繞曲、電絕緣、耐腐蝕、不發(fā)熱、無輻射、可以在強電磁干擾、易燃易爆、毒性氣體等復雜 環(huán)境條件下工作等優(yōu)點，近年受到極大關(guān)注，成為了傳感器研究領(lǐng)域的新熱點。專利號為 CN101769857的發(fā)明技術(shù)專利，提出一種基于環(huán)形芯波導的等離子體諧振式光纖生物傳感 器，其利用環(huán)形芯光纖探頭作用于金膜產(chǎn)生SPP，用于折射率傳感。劉志海等公布了一種納 米金粒子傳感器及其制作方法，申請公布號：CN103630515A，在多芯光纖中的一個纖芯中注 入激發(fā)光，光纖錐臺面反射光倏逝場激發(fā)納米金粒子的局域表面等離子體共振，通過與注 入光對稱纖芯收集的反射光譜進行傳感。但該發(fā)明存在如下問題：利用自然偏振光激發(fā)納 米金粒子的局域表面等離子體共振，導致激發(fā)效率不高；激發(fā)光非徑向偏振光，偏振方向不 確定性導致錐臺端面相遇光場不能干涉；激發(fā)的納米金粒子局域表面等離子體共振限制在 納米金粒子表面附近，不能傳導聚焦等問題。
[0004] 金屬薄膜上的金屬納米粒子在外加激勵源的情況下激發(fā)表面等離子體，并可實現(xiàn) SPP的聚焦。SPP的激發(fā)及聚焦可以用于構(gòu)建新型高效傳感器，用于生物照明等，因此SPP 的激發(fā)及聚焦引起了極大關(guān)注。Zhaowei Liu (Nano Letters, 2005, 5 (9) : 1726 - 1729)等人 的理論和實驗表明，在銀和鋁薄膜上，可以實現(xiàn)基于圓形和橢圓形微槽的SPP聚焦。Leilei Yin (Nano Letters, 2005, 5(7) : 1399 - 1402)等人證實了銀膜上環(huán)形孔陣列的SPP激發(fā)和 聚焦。A.B. Evlyukhin (Optics Express, 2007, 15 (25) :16667-166680)等人從理論和實驗 上實現(xiàn)了用金屬薄膜表面半環(huán)狀排布的納米粒子對SPP進行激發(fā)、傳導和聚焦。由于這些 SPP激發(fā)聚焦方式都是基于平板基底的，不利于小型集成化，且激勵光源需要單獨在外部加 載。平板基底結(jié)構(gòu)與光纖集成困難，激勵光利用率低。
[0005] 綜上所述，SPP能在亞波長尺度波導內(nèi)傳輸，利用SPP可以實現(xiàn)超衍射極限的集成 光子學器件，在納米光子學領(lǐng)域中有巨大應用潛力。目前基于平板基底的環(huán)狀微槽和納米 粒子SPP激發(fā)聚焦方式小型集成化困難，激勵光源加載不方便，難以與光纖集成。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積更小、用徑向偏 振光高效激發(fā)的光纖表面等離子體激元激發(fā)聚焦裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種光纖 表面等離子體激元激發(fā)聚焦裝置的制造方法。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0008] 光纖表面等離子體激元激發(fā)聚焦裝置，由光源1、單芯光纖2、環(huán)形芯光纖3、把單 芯光纖2和環(huán)形芯光纖3 -端焊接并在焊點處拉錐而形成的耦合錐區(qū)4、在環(huán)形芯光纖3 另一端經(jīng)過加工形成的圓錐臺結(jié)構(gòu)5、環(huán)形排布于環(huán)形芯光纖3圓錐臺結(jié)構(gòu)端面的納米金 粒子6及鍍在圓錐臺端面的金膜7組成，光源1注入單芯光纖2的光通過耦合區(qū)在環(huán)形芯 光纖3中激勵起低階模式徑向偏振光，低階模式徑向偏振光在環(huán)形芯光纖3端面圓錐臺斜 面處全反射，反射至端面的徑向偏振光激發(fā)環(huán)形排布的納米金粒子6產(chǎn)生表面等離子體激 元，表面等離子體激元在環(huán)形芯光纖3端面金膜7上傳播至中心并聚焦。
[0009] 所述的單芯光纖2為單模光纖或多模光纖，光纖纖芯為光纖軸心。
[0010] 所述的環(huán)形芯光纖3的環(huán)形芯位置關(guān)于光纖主軸對稱，并處于同一內(nèi)外包層中， 環(huán)形芯內(nèi)徑20 μ m，外徑23. 2至26 μ m，僅LPtll模和LP ^模可傳輸。
[0011] 所述的光纖表面等離子體激元由圓錐臺斜面處全反射至端面的徑向偏振光所產(chǎn) 生的倏逝場直接作用于納米金粒子6激發(fā)，或者由反射至端面的徑向偏振光相遇干涉后所 產(chǎn)生的倏逝場作用于納米金粒子6進行激發(fā)。
[0012] 利用光纖熔接機將單芯光纖2 -端和環(huán)形芯光纖3 -端中心對準并焊接，在焊點 處進行熱拉錐至環(huán)形芯光纖3中激勵起低階模式徑向偏振光，通過光纖端面研磨法將環(huán)形 芯光纖3另一端面加工成設(shè)計角度及高度的圓錐臺結(jié)構(gòu)5,在圓錐臺端面指定位置處環(huán)形 排布納米金粒子6,在圓錐臺端面鍍40-80nm的金膜7,即形成光纖SPP激發(fā)聚焦裝置。
[0013] 所述的低階模式徑向偏振光，是在監(jiān)測環(huán)形芯光纖3出射光偏振特性的同時，利 用光纖拉錐機在單芯光纖2與環(huán)形芯光纖3焊點處進行拉錐，依據(jù)環(huán)形芯光纖3中不同傳 輸模式有效折射率不同的仿真結(jié)果，當環(huán)形芯光纖3中有效耦合入低階模式徑向偏振光后 停止拉錐，在焊點處形成準錐形耦合區(qū)。
[0014] 環(huán)形排布納米金粒子6,粒子尺寸小于300納米，是球形、方形、三角形、棒狀或其 他形貌的的納米金顆粒。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于：1、本發(fā)明利用徑向偏振光照射環(huán)形排布于光纖端面金膜 上的納米金粒子陣列，每個金粒子的SPP激勵光都為TM模，使得結(jié)構(gòu)中心處形成SPP干涉 相長，得到單個尖銳聚焦光斑，效率遠高于線性偏振光。2、本發(fā)明利用在單芯光纖與環(huán)形 芯光纖焊點處拉錐，從而在環(huán)形芯光纖中獲得了凡 1模式徑向偏振光，有效解決了光纖中不 易分離出TMtll模的問題，且結(jié)構(gòu)簡單，激發(fā)效率高。3、本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小的 光纖SPP激發(fā)聚焦裝置及制作方法，利于小型集成化，激勵光源加載穩(wěn)定性高、易與光纖集 成。
【附圖說明】
[0016] 圖1光纖SPP激發(fā)聚焦裝置示意圖
[0017] 圖2TMQ1模式模場分布示意圖
[0018] 圖3環(huán)形芯光纖內(nèi)各傳輸模式有效折射率仿真圖
[0019] 圖4單芯與環(huán)形芯光纖焊點處拉錐時模式耦合示意圖
[0020] 圖5環(huán)形芯內(nèi)徑向偏振光激發(fā)結(jié)構(gòu)示意圖
[0021] 圖6環(huán)形芯光纖端面SPP激發(fā)聚焦結(jié)構(gòu)示意圖