一种光纤表面等离子体激元激发聚焦装置及其制作方法

摘要

本发明属于纳米光子学领域，尤其涉及一种光纤径向偏振光SPP激发聚焦装置及制作方法。光纤表面等离子体激元激发聚焦装置，由光源1、单芯光纤2、环形芯光纤3、把单芯光纤2和环形芯光纤3一端焊接并在焊点处拉锥而形成的耦合锥区4、在环形芯光纤3另一端经过加工形成的圆锥台结构5、环形排布于环形芯光纤3圆锥台结构端面的纳米金粒子6及镀在圆锥台端面的金膜7组成。本发明利用径向偏振光照射环形排布于光纤端面金膜上的纳米金粒子阵列，每个金粒子的SPP激励光都为TM模，使得结构中心处形成SPP干涉相长，得到单个尖锐聚焦光斑，效率远高于线性偏振光。

说明书

技术领域

本发明属于纳米光子学领域，尤其涉及一种光纤径向偏振光SPP激发聚焦装置及制作方 法。

背景技术

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是光和金属表面的自由电子相 互作用从而激发的一种电磁场。它被强烈地约束在金属表面，可在纳米尺度上实现对光超越 衍射极限的操控，并实现局域近场增强效应，SPP的激发、传播、聚焦已经成为目前的研究 热点。由于现代光学器件对小型化和集成化的需求不断提高，而SPP具有低维度、高强度和 亚波长等特点，在纳米光子学领域中有巨大应用潜力，被喻为最具希望的纳米集成光子器件 载体。

利用光纤作为载体的表面等离子激元器件，具有尺寸小、集成度高、光路灵活、柔软可 绕曲、电绝缘、耐腐蚀、不发热、无辐射、可以在强电磁干扰、易燃易爆、毒性气体等复杂 环境条件下工作等优点，近年受到极大关注，成为了传感器研究领域的新热点。专利号为 CN101769857的发明技术专利，提出一种基于环形芯波导的等离子体谐振式光纤生物传感器， 其利用环形芯光纤探头作用于金膜产生SPP，用于折射率传感。刘志海等公布了一种纳米金 粒子传感器及其制作方法，申请公布号：CN103630515A，在多芯光纤中的一个纤芯中注入激 发光，光纤锥台面反射光倏逝场激发纳米金粒子的局域表面等离子体共振，通过与注入光对 称纤芯收集的反射光谱进行传感。但该发明存在如下问题：利用自然偏振光激发纳米金粒子 的局域表面等离子体共振，导致激发效率不高；激发光非径向偏振光，偏振方向不确定性导 致锥台端面相遇光场不能干涉；激发的纳米金粒子局域表面等离子体共振限制在纳米金粒子 表面附近，不能传导聚焦等问题。

金属薄膜上的金属纳米粒子在外加激励源的情况下激发表面等离子体，并可实现SPP的 聚焦。SPP的激发及聚焦可以用于构建新型高效传感器，用于生物照明等，因此SPP的激发 及聚焦引起了极大关注。Zhaowei Liu(Nano Letters,2005,5(9):1726–1729)等人的理论 和实验表明，在银和铝薄膜上，可以实现基于圆形和椭圆形微槽的SPP聚焦。Leilei Yin(Nano  Letters,2005,5(7):1399–1402)等人证实了银膜上环形孔阵列的SPP激发和聚焦。A.B. Evlyukhin(Optics Express,2007,15(25):16667-166680)等人从理论和实验上实现了用金 属薄膜表面半环状排布的纳米粒子对SPP进行激发、传导和聚焦。由于这些SPP激发聚焦方 式都是基于平板基底的，不利于小型集成化，且激励光源需要单独在外部加载。平板基底结 构与光纤集成困难，激励光利用率低。

综上所述，SPP能在亚波长尺度波导内传输，利用SPP可以实现超衍射极限的集成光子 学器件，在纳米光子学领域中有巨大应用潜力。目前基于平板基底的环状微槽和纳米粒子SPP 激发聚焦方式小型集成化困难，激励光源加载不方便，难以与光纤集成。发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种结构简单、体积更小、用径向偏振光 高效激发的光纤表面等离子体激元激发聚焦装置。本发明的目的还在于提供一种光纤表面等 离子体激元激发聚焦装置的制作方法。

本发明的目的是这样实现的：

光纤表面等离子体激元激发聚焦装置，由光源1、单芯光纤2、环形芯光纤3、把单芯光 纤2和环形芯光纤3一端焊接并在焊点处拉锥而形成的耦合锥区4、在环形芯光纤3另一端 经过加工形成的圆锥台结构5、环形排布于环形芯光纤3圆锥台结构端面的纳米金粒子6及 镀在圆锥台端面的金膜7组成，光源1注入单芯光纤2的光通过耦合区在环形芯光纤3中激 励起低阶模式径向偏振光，低阶模式径向偏振光在环形芯光纤3端面圆锥台斜面处全反射， 反射至端面的径向偏振光激发环形排布的纳米金粒子6产生表面等离子体激元，表面等离子 体激元在环形芯光纤3端面金膜7上传播至中心并聚焦。

所述的单芯光纤2为单模光纤或多模光纤，光纤纤芯为光纤轴心。

所述的环形芯光纤3的环形芯位置关于光纤主轴对称，并处于同一内外包层中，环形芯 内径20μm，外径23.2至26μm，仅LP₀₁模和LP₁₁模可传输。

所述的光纤表面等离子体激元由圆锥台斜面处全反射至端面的径向偏振光所产生的倏逝 场直接作用于纳米金粒子6激发，或者由反射至端面的径向偏振光相遇干涉后所产生的倏逝 场作用于纳米金粒子6进行激发。

利用光纤熔接机将单芯光纤2一端和环形芯光纤3一端中心对准并焊接，在焊点处进行 热拉锥至环形芯光纤3中激励起低阶模式径向偏振光，通过光纤端面研磨法将环形芯光纤3 另一端面加工成设计角度及高度的圆锥台结构5，在圆锥台端面指定位置处环形排布纳米金 粒子6，在圆锥台端面镀40-80nm的金膜7，即形成光纤SPP激发聚焦装置。

所述的低阶模式径向偏振光，是在监测环形芯光纤3出射光偏振特性的同时，利用光纤 拉锥机在单芯光纤2与环形芯光纤3焊点处进行拉锥，依据环形芯光纤3中不同传输模式有 效折射率不同的仿真结果，当环形芯光纤3中有效耦合入低阶模式径向偏振光后停止拉锥， 在焊点处形成准锥形耦合区。

环形排布纳米金粒子6，粒子尺寸小于300纳米，是球形、方形、三角形、棒状或其他 形貌的的纳米金颗粒。

本发明的有益效果在于：1、本发明利用径向偏振光照射环形排布于光纤端面金膜上的纳 米金粒子阵列，每个金粒子的SPP激励光都为TM模，使得结构中心处形成SPP干涉相长，得 到单个尖锐聚焦光斑，效率远高于线性偏振光。2、本发明利用在单芯光纤与环形芯光纤焊点 处拉锥，从而在环形芯光纤中获得TM₀₁模式径向偏振光，有效解决了光纤中不易分离出TM₀₁模的问题，且结构简单，激发效率高。3、本发明提供一种结构简单、体积小的光纤SPP激发 聚焦装置及制作方法，利于小型集成化，激励光源加载稳定性高、易与光纤集成。

附图说明

图1光纤SPP激发聚焦装置示意图

图2TM₀₁模式模场分布示意图

图3环形芯光纤内各传输模式有效折射率仿真图

图4单芯与环形芯光纤焊点处拉锥时模式耦合示意图

图5环形芯内径向偏振光激发结构示意图

图6环形芯光纤端面SPP激发聚焦结构示意图

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

本发明的光纤SPP激发聚焦装置包括：光源、单芯光纤、环形芯光纤、把单芯光纤和环 形芯光纤一端焊接并在焊点处拉锥而形成的耦合锥区、在环形芯光纤另一端经过加工形成的 圆锥台结构、环形排布于环形芯光纤圆锥台结构端面的纳米金粒子及镀在圆锥台端面的金膜 组成；其特征在于，光源注入单芯光纤的光通过耦合区在环形芯光纤中激励起TM₀₁模式径向 偏振光，径向偏振光在环形芯光纤端面圆锥台斜面处全反射，反射至端面的径向偏振光激发 环形排布的纳米金粒子产生SPP，SPP在环形芯光纤端面金膜上传播至中心并聚焦。

本发明的光纤SPP激发聚焦装置还可以包括：

1.所述的单芯光纤为单模光纤或多模光纤，光纤纤芯为光纤轴心。

2.所述的环形芯光纤的环形芯位置关于光纤主轴对称，并处于同一内外包层中，内外包 层的折射率相同或不同均可。

3.所述的SPP可以是由圆锥台斜面处全反射至端面的径向偏振光直接照射纳米金粒子 激发，也可以是反射至端面的径向偏振光相遇干涉后对纳米金粒子进行激发。

本发明的光纤SPP激发聚焦装置制作方法为：

利用光纤熔接机将单芯光纤和环形芯光纤中心对准并焊接，在监测环形芯光纤出射光偏 振特性的同时利用光纤拉锥机在单芯光纤与环形芯焊点处进行拉锥，依据环形芯光纤中不同 传输模式有效折射率不同的仿真结果，当环形芯光纤中有效耦合入TM₀₁模式径向偏振光后停 止拉锥，用玻璃套管封装单芯光纤与环形芯光纤焊点处的准锥形耦合区，通过裸光纤端面研 磨方法在环形芯光纤端面加工成设计角度及高度的圆锥台，采取光镊技术在圆锥台端面指定 位置处环形排布纳米金粒子，在光纤锥台表面镀制一层40-80nm的金膜，即形成光纤SPP激 发聚焦装置。

本发明的光纤SPP激发聚焦装置制作方法还可以包括：所述的环形排布纳米金粒子，粒子 尺寸小于300纳米，可以是球形、方形、三角形、棒状或其他形貌的的纳米金颗粒。

本发明基于如下原理：

在环形芯光纤圆锥台端面光场作用下，尺寸远小于入射波长的金属粒子界面内外形成新 电场，从而激发SPP，激发的SPP可沿圆锥台表面的金膜传输并聚焦。由于SPP的激发和存 在具有单偏振特性，只能为TM模，而在径向偏振光中，光束每一点的偏振方向都指向圆心， 当其作用于金膜表面环形排列的纳米金粒子阵列时，每个金粒子的SPP激励光都为TM模，使 得环形粒子阵列中心处形成SPP干涉相长，从而出现一个聚焦亮斑。

为了在环形芯光纤中激励起径向偏振光，依据模式理论，光纤中传输的每一种模式都有 它的截止频率，由光纤的归一化频率表示：

$V=\frac{\mathrm{\omega a}}{c}\sqrt{n_1^2-n_2^2}$

当光纤的归一化频率V小于某个模式的截止频率时，该模式就不能在光纤中传输。基模 HE₁₁的截止频率为0，不会截止。当环形芯光纤V值在2.405与3.832之间时，光纤中能够传 输包括基模，TE₀₁，TM₀₁和HE₂₁四个模式。图2展示了TM₀₁模式的模场分布，其偏振态为轴向 对称分布，就是需要的径向偏振光。

图3展示了根据环形芯光纤参数，计算环形芯光纤对各模式的有效折射率的结果。根据 不同模式在环形芯光纤中有效折射率不同，而对环形芯光纤与单模光纤焊点处拉锥不同时期 可以使得环形芯光纤中激励起不同有效折射率的模式进行传输，即可通过拉锥耦合的方式有 效分离出TM₀₁模式。

图4是单芯与环形芯光纤焊点处拉锥时模式耦合示意图，当拉锥长度至A点时，TM₀₁模式 有效耦合到环形芯中，其他模式耦合效率最低。此时停止拉锥，即通过在单模与环形芯光纤 焊点处拉锥的方式有效将TM₀₁模式耦合到环形芯光纤中。

当入射角大于全反射角时，不存在折射现象，光全部反射。环形芯光纤端面磨制设计好 的圆锥台结构，使环形芯中的径向偏振光在圆锥台结构斜面处发生全反射后，可在圆锥台端 面上形成径向偏振光环形光场。

如图1所示，本发明的光纤SPP激发聚焦装置包括800nm激光光源[1]，单芯光纤[2]， 环形芯光纤[3]，可以在环形芯光纤中激励起TM₀₁模式径向偏振光的耦合锥区[4]，经过加工 的圆锥台形状环形芯端面[5]，环形排布的纳米金粒子[6]，厚度为50nm的金膜[7]。

本发明可以通过如下方式实现：

如图1所示，选用波长800nm激光光源，截取2m单模光纤，利用光纤剥线钳剥除光纤一 端的涂覆层25mm，用酒精将光纤包层清洗干净。用光纤切割刀将光纤端面切平，插入裸纤适 配器中，将裸纤适配器接入激光光源输出接口。

如图5所示，截取2m外包层直径为125μm的环形芯光纤，将环形芯光纤一端、单模光 纤另一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机并焊接。将焊接后的光纤装载到氢 氧焰光纤拉锥机夹具上，使焊点处于氢氧焰火焰头正下方。环形芯光纤的另外一端经涂覆层 剥除、清洗、切割后，用连接电脑的CCD监测环形芯光纤环形纤芯[8]的出射光场。

氢氧焰拉锥机开始在焊点慢速拉锥后，在环形芯光纤的出射端加载偏振片，当CCD监测 到的光场强度表现为瓣形分布，中心是一条暗线，暗线的方向与偏振片的偏振方向一致，且 暗线的方向随偏振片的转动方向同向旋转，则停止拉锥，环形芯光纤中已获得TM₀₁模式径向 偏振光。用玻璃套管封装，保护锥区。

如图6所示，利用光纤端研磨技术将光纤端研磨成α＝37.5°的圆锥台，研磨深度为34.5 μm。在显微镜下，利用光镊技术将粒径220nm的纳米金粒子环形排布于环形芯光纤圆锥台端 面上，环形排布的纳米粒子中心即为环形芯光纤轴心，环形半径为10μm，粒子间距为400nm。

利用离子溅射真空镀膜技术，装载金靶后，在2×10^-1mbar稳定真空度下，加载5mA溅射 电流对加工好的环形芯光纤圆锥台端面镀膜3.5分钟，此时即在环形芯光纤圆锥台端面上镀 制了一层50nm厚的金膜，并对环形排布的纳米金粒子环形阵列进行了有效固定。

此时即完成了光纤SPP激发聚焦装置的制作，将800nm光源注入单模光纤1，则可在环 形芯光纤锥台端面上环形排布的纳米金粒子上激发SPP，并在环形排布的纳米金粒子中心位 置实现SPP的聚焦