一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法

摘要

本发明涉及精确测量具有亚波长数量级的纳米光纤的腰部区域直径,具体为一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法，解决了现有方法如利用回音壁模或二次谐波产生测量纳米光纤直径时需要对数据进行复杂后续处理得出纳米光纤的直径以及问题。利用外部光栅谐振腔测量纳米光纤直径的方法具体为如下步骤:在硅基材料的平面上构建外部光栅及谐振腔参数；搭建外部光栅谐振腔测量纳米光纤直径系统；在高分辨率光谱仪中观察共振峰并调节线偏振器实施精确测量。本发明所述的方法装置结构简单、对样品无污染及损伤、综合成本较低、操作容易并能够将测量直径精度提高至1nm。可广泛用于亚波长波导及光纤径向尺寸的精密测量领域。

说明书

技术领域

本发明涉及精确测量纳米光纤直径的方法，具体为一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法。

背景技术

光纤光锥在腰部区域具有亚波长直径，被称作纳米光纤，利用光在这种媒质传播时具有强光场约束、近场光学耦合等特性，纳米光纤被广泛应用于激光冷却原子，光纤耦合固态量子光源等领域，利用被测样品与微纳光纤导模相互作用时，散射、吸收、色散、发光等传输光特性的改变，可以用来来检测诸如温度、压力、浓度等一系列物理量，可应用于传感领域（参见文献M.J. Morrissey,et al., Sensors, 13(8):10449(2013)），为纳米光子学的发展提供了一个重要的平台。近来，使用光学晶体谐振腔及纳米光纤和纳米光栅将量子发射器谐振腔耦合到纳米的光纤上获得了成功（参见文献K.P.Nayak,K.Hakuta,Optics Express,21(2):2480-2490(2013)），但是这些方法的测量过程复杂并不适用于快速高效测量。在纳米光纤上制作光子晶体的方法如在纳米光纤表面制造方面也获得了一些发展，但是这种在纳米光纤表面制造容易对光纤产生损坏，并且对工艺要求非常高，不适用于一般的纳米光纤测量实用性要求。用回音壁模方法（参见文献T. A .Birks,J.C.Knight,T.E.Dimmick,IEEE Photonics Technology Letters,12(2):182-183(2000)）测量微型波导已有人提出，基于回音壁模的介质谐振腔具有很高的品质因数和极小的模式体积等特性曾经引起了广泛的关注，这些方法需要复杂的数据后续处理才能够测出纳米光纤的直径。用扫描电子显微镜来测量纳米光纤的直径虽然是一种非常常见的方法，扫描电子显微镜是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品之间相互作用产生二次电子、背景散射电子等对样品表面形貌进行观察和分析。然而经过放大的图像边缘难以确定，会产生测量误差，除此之外电子束的能量引起照射点的局部加热可能影响物体表面性质，高分辨率的扫描电子显微镜价格及维护成本均不可忽视，不适合推广。综上所述，现有方法获得的方法存在测量装置复杂、有的方法需要后续复杂的数据处理、精确度不高、容易造成污染、测量耗时等问题。

发明内容

本发明为了解决现有方法获得纳米光纤的直径的方法存在测量复杂，需要后续数据处理，精确度不高、存在污染及对样品损害等问题。提供了一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法，包括如下步骤：

（一）在硅基材料的平面上构建外部光栅及谐振腔：在硅基材料的平面上制作形状为矩形的谐振腔和光栅。谐振腔位于硅基材料的平面中心，宽度为480nm、深度为2μm，光栅周期为320nm、板条深度为2μm、光栅板条数目为200个、占空比为10%，分布在谐振腔的两边，形成外部光栅谐振腔。如图1所示，利用扫描电子显微镜观察到的待测的纳米光纤与外部光栅谐振腔示意图，水平白色的部分为待测量纳米光纤，中心处较宽的部分为谐振腔，谐振腔的两边分别为光栅，板条为两黑色部分中间的白色部分，总共200个。

（二）搭建外部光栅谐振腔测量纳米光纤直径系统：将测量所需激光源与线偏振器相连后再经过环行器的输入端，环行器的一个输出端与高分辨率光谱仪连接，另一输出端连接输入光纤，输入光纤在载物台上用第一压脚和第二压脚固定，纳米光纤一端与输入光纤用光纤连接头连接，另一端与输出光纤用光纤连接头连接，纳米光纤居于两光纤之间，在纳米光纤中心位置正下方放置外部光栅谐振腔，纳米光纤的轴向与光栅槽方向相互垂直。外部光栅谐振腔位于三维高精度平移台上，三维高精度平移台将外部光栅谐振腔固定。输出光纤的另一端用第三压脚和第四压脚固定，位于载物台上。固定时需使输出光纤被拉直同时输出光纤轴与载物台保持平行，防止纳米光纤被拉的过于用力而拉断，本测量装置中需注意外部光栅谐振腔要与纳米光纤接触，否则在高分辨率光谱仪上不能看到反射光谱，输出光纤接入低分辨率光谱仪。

（三）在高分辨率光谱仪中观察共振峰并调节线偏振器实施精确测量：测量过程中调节激光源使其发出的光经过线偏振器、环行器、待测纳米光纤，部分光直接进入低分辨率光谱仪，部分反射光再次进入纳米光纤经过环行器进入到高分辨率光谱仪中，调节线偏振器，分别观察低分辨率光谱仪和高分辨率光谱仪，当高分辨光谱仪中观察到光反射谱时，精细调节线偏振器，调节幅度在±1 nm范围内，使高分辨率光谱仪中的反射光谱的半高宽度对应的波长之差最小，光谱形状最清晰时保存测量的数据，将得到的高分辨率光谱仪光谱数据用高斯拟合，可以得到共振光谱两峰之间半高宽度处两横坐标之和一半即为上述纳米光纤对应共振波长。之后将所测的共振波长带入到通过理论计算得到的共振波长与光纤直径的关系满足的线性方程中即可计算出待测纳米光纤的直径。

本发明具有如下有益效果：

（1）本发明所述的方法中外部光栅谐振腔结构简单、体积小。相对于扫描电子显微镜而言精确性有很大的提高，扫描电子显微镜在测量微观物体尺寸时存在一定的误差，误差在10%~15%左右。本发明的方法能够测量最高精度可达1nm，误差在2%~5%左右，对于不同的光栅谐振腔数线宽、谐振腔数目或占空比得到的测量精度和测量可见度都会发生变化，为测量直径更小的纳米光纤直径提供可能。

（2）本发明方法所述的装置结构简单、大部分所用仪器均是简单容易获得的常见关学仪器。测量过程中只需将待测光纤通过转接头接入测量装置中，测量方法对样品无污染及损伤、综合成本较低、一旦得到共振波长与纳米光纤直径的线性关系即可进行简单的计算得到测量的结果。

本发明所述的方法获得纳米光纤的直径测量的精确度高，装置结构简单、对样品无污染及损伤、综合成本较低、操作容易，可广泛用于亚波长波导及光纤径向尺寸的精密测量，量子点和生物荧光光场量子特性分析，高分辨率的光谱测量以及微纳量子信息和光波导领域。

附图说明

图1是本发明所述利用扫描电子显微镜观察到的纳米光纤与外部光栅谐振腔示意图。

图2是本发明所述外部光栅谐振腔测量纳米光纤直径装置图。

图3是本发明中得到的不同直径纳米光纤共振波长与反射率关系的曲线示意图。

图4是本发明中得到的纳米光纤直径随共振波长与可见度变化的示意图。

图5是本发明中利用扫描电子显微镜观察到的纳米光纤直径示意图。

图6是本发明中利用观察得到的纳米光纤直径电镜图统计分析获得的直径结果示意图。

图7是本发明中利用扫描电子显微镜测量得到的不同轴向位置光纤直径大小示意图。

图8是本发明中利用光谱仪测量得到的外部光栅谐振腔的共振光谱示意图。

图9是本发明中所用外部光栅谐振腔方法测量得到的纳米光纤直径结果示意图。

图中：1-谐振腔；2-光栅；3-激光源；4-线偏振器；5-环行器；6-高辨率光谱仪；7-载物台；8-第一压脚；9-第二压脚；10-纳米光纤；11-外部光栅谐振腔；12-三维高精度平移台；13-扫描电子显微镜；14-第三压脚；15-第四压脚；16-载物台；17-低分辨率光谱仪。

具体实施方式

一种利用外部光栅谐振腔测量纳米光纤直径的方法，包括如下步骤：

（一）在硅基材料的平面上构建外部光栅及谐振腔：在长1mm、宽0.5mm、高0.5mm的长方体硅基材料的平面上制作形状为矩形的谐振腔1和光栅2。谐振腔1位于硅基材料的平面中心、宽度为480nm、深度为2μm，光栅2周期为320nm、板条深度为2μm、光栅板条数目为200个、占空比为10%，分布在谐振腔1的两边，形成外部光栅谐振腔11,图1所示为电子显微镜观察到的光栅谐振腔，白色部分为待测纳米光纤。

（二）搭建外部光栅谐振腔测量纳米光纤直径系统：测量装置系统如图2所示，将测量所需超连续激光源3与线偏振器4相连后再经过环行器5的输入端，环行器的一个输出端与高分辨率光谱仪6连接，另一输出端连接输入光纤，输入光纤在载物台7上用第一压脚8和第二压脚9固定，纳米光纤10一端与输入光纤用光纤连接头连接，另一端与输出光纤用光纤连接头连接，纳米光纤10居于两光纤之间，在纳米光纤10中心位置正下方放置外部光栅谐振腔11，纳米光纤10的轴向与光栅槽方向相互垂直。外部光栅谐振腔位于三维高精度平移台12上，三维高精度平移台12将外部光栅谐振腔11固定。纳米光纤10中心位置正上方放置扫描电子显微镜13。输出光纤的另一端用第三压脚14和第四压脚15固定，位于载物台16上。固定时需使输出光纤被拉直同时输出光纤轴与载物台保持平行，防止纳米光纤10被拉的过于用力而拉断，本测量装置中需注意外部光栅谐振腔要与纳米光纤10接触，否则在高分辨率光谱仪6上不能看到反射光谱，输出光纤接入低分辨率光谱仪17。

（三）在高分辨率光谱仪中观察共振峰并调节线偏振器实施精确测量：测量过程中调节超连续激光源3使其发出的光经过线偏振器4、环行器5、待测纳米光纤10，部分光直接进入低分辨率光谱仪17，部分反射光再次进入纳米光纤10，经过环行器5进入到高分辨率光谱仪6中，轻微调节线偏振器4，分别观察低分辨率光谱仪17和高分辨率光谱仪6，当高分辨光谱仪6中观察到比较明显的光反射谱时精细调节线偏振器4，调节幅度在±1 nm范围内，使高分辨率光谱仪6中的反射光谱的半高宽度对应的波长之差最小，光谱形状最清晰时保存测量的数据，当上述数据保存之后，用扫描电子显微镜13在上方调节观察需要图像，角度为纳米光纤正上方±5度内。则可得到扫描电子显微镜13的测量数据。将得到的高分辨率光谱仪6光谱数据用高斯拟合，可以得到共振光谱两峰之间半高宽度处两横坐标之和的一半即为上述纳米光纤10对应的共振波长。之后将所测的共振波长带入到通过理论计算得到的共振波长与光纤直径的关系满足的线性方程中即可计算出待测纳米光纤10的直径。线性方程在图4中已经给出，该线性方程就是此外部光栅谐振腔11的参数，以后只要利用该外部光栅谐振腔11进行测量，只需将纳米光纤的共振波长测出，带入共振波长与纳米光纤直径方程即可快速获得纳米光纤直径。利用扫描电子显微镜13实际测量纳米光纤10不同位置处直径，测量的范围基本上是在纳米光纤10中心附近2mm处，按照上述所用的步骤方法对比可以明显得知利用本发明所用的方法测量的精度要高于利用扫描电子显微镜13测量精度。测量中光纤直径越大，测量的可见度越高，三种不同光纤直径得到的反射谱理论模拟图如图3所示，可以看出随着纳米光纤直径的增大，光谱仪上得到的两个波峰也越来越清晰，可见度也越来越大到后来接近于1。图3中的FWHM（半高宽度）指的是最高峰与其右边和它高度接近的峰之间凹陷深度的一半对应的宽度，它表示的是测量的精度，从图3可知，在直径430nm至610nm之间，测量最高精度是0.83nm，虽然随着直径的不同其精确度有所改变，但是改变范围不大。不同直径的纳米光纤的共振光谱和纳米光纤直径理论上满足线性关系，如图4所示，黑点是理论上模拟的纳米光纤直径和共振波长的数据点，虚线为对理论模拟得到的数据点的拟合，从图4中可以很明显看出在很长的范围内二者之间存在线性关系。图4中还可以看出在纳米光纤直径很小时，测量的可见度下降，说明在光纤直径非常小的时候本发明所用的方法受到了一些限制，精度提升难度升高。但是相比于利用扫描电子显微镜而言，测量精度大大提升。用扫描电子显微镜在上方调节观察需要图像，角度为纳米光纤正上方±5度内，则可得到扫描电子显微镜的测量数据。精度的提升可以由下列事实体现，扫描电子显微镜测量纳米光纤得到的一组数据如图5是所示，对这组测量数据分析过程如图6所示，图6反应了利用扫描电子显微镜并不能确定具体物体的边缘。利用扫描电子显微镜实际测量沿着纳米光纤不同位置处直径如图7所示。对于纳米光纤光锥来说腰部的部分光纤的直径理论是常数，但是实际上直径为在一定的范围内波动，图6反应了这种情况。测量过程中波长与反射强度的关系如图8所示。用本发明所用的方法测量的不同位置处纳米光纤直径如图9所示，由于纳米光纤制造工艺的问题，实验所用纳米光纤为拉锥式光纤，所以测量的范围基本上是在纳米光纤中心附近2mm处。在测量的过程中锥形区域的测量的系统不确定度要比腰部区域均匀部分的要大，并随着锥形角度的增加测量的系统不确定度也在增加，主要表现在随着锥形角度的增加，锥形区域直径的方差越来越大，所以外部光栅谐振腔测量测量需在腰部区域，图7和图9的刻度相同，图7中光纤腰部波动状况比图9强烈，通过对比可以明显看出利用本发明所用的方法测量的精度要高于利用扫描电子显微镜测量精度，同时图9和图7相比，腰部测量直径的平均值更小也说明精度更高。用扫描电子显微镜在上方调节观察需要注意的是扫描电子显微镜通常需要在一定的角度内寻找清晰图像，利用扫描电子显微镜实际测量纳米光纤不同位置处直径，测量的范围基本上是在纳米光纤中心附近2mm处，同时用本发明方法测量上述利用扫描电子显微镜测量的点位置处纳米光纤直径，可以明显得知利用本发明所用的方法测量的精度要高于利用扫描电子显微镜测量效果。

具体实施时所述超连续激光源采用Leukos公司生产的STM-50，波长范围420~2100nm；所述低分辨率光谱仪为Yokogawa公司的AQ6370C，波长范围600~1700nm,波长分辨率为0.02nm；所述高分辨率光谱仪为Yokogawa公司的AQ6373B，波长范围600~1700nm,波长分辨率为0.01nm；所述扫描电子显微镜采用基恩士公司的VE-9800；所述三维高精度平移台采用Newport公司的HTFPS501；所述线偏振器采用Thorlabs公司的FPC022。