微纳光纤的制备及其在光镊中的应用外文翻译资料

 2022-11-04 04:11

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前沿话题

中国科学技术

浙江大学是中国顶尖大学之一。 在中国的科学技术的前沿话题中，中国学者和教授与国外受邀的在他们领域的优秀专家学者在浙江大学出版社和斯普林格联合出版了专著。这个系列将使研究人员，讲师和研究生一样感兴趣。

中国科学技术先进课题旨在在中国研究领域呈现最新最先进的理论，技术和方法。它涵盖了自然靠科学和技术的所有学科，包括但不仅限于计算机科学，材料科学，生命科学，工程，环境科学，数学和物理学。

前言

十年前，一本关于光学微纤维和纳米纤维的书可能很难预见。在2003年，与来自哈佛大学和浙江大学的科学家合作的一位作者（L.T.）出版了一篇关于二氧化硅纳米纤维的低损耗波导的有趣的文章。 该文介绍了将一个新的微纳光纤的视野作为微型光子器件的基本元素，并发表了许多关于本书专题的科学出版物。

乍一看，基于超细纤维的光子技术似乎是相反的，从平板光子技术的一步，就像有线电路与电子学中印刷电路的关系一样。 但至少有两个微纤维与光刻制造的波导的重要优点：给定指数对比度和在三个维度上潜在的微装配能力。这些优点可能创造出更多的紧凑而且损耗小于光刻制造的微纳米纤维设备。此外，一些基于微纤维的设备具有独特的功能，这通过其他方式可能更难实现。

目前，光学微纳米纤维的研究正在迅速发展。笔者试图写一个相当全面的微纳米纤维的关于光学性质、制造方法和应用的介绍。 这本书会对想要了解更多关于细的，亚波长直径的光学微纤维的科学家和工程师有用，最终将被接合在微纤维光子学研究中。 特别地，笔者希望该书的内容将吸引学生，激发他们在这个迷人的光学领域的创新思想。

L.T. 想致谢他在杭州浙江大学和剑桥哈佛大学以及MA，USA的一些同事和学生，他们直接或间接的帮助了微纳光纤的研究这本书的写作。 特别感谢哈佛大学的Eric Mazur教授为他提供了不可或缺的支持和意见。同时特别感谢Jingyi Lou, Rafael R. Gattass, Qing Yang, Guillaume Vienne,Jian Fu, Yuhang Li, Xiaoshun Jiang, Zhe Ma, Xin Guo, Shanshan Wang Fuxing Gu, Zhifang Hu, and Keji Huang,等在工作中的大力帮助和贡献。

M.S.想感谢在OFS实验室（原为光纤研究部贝尔实验室）的创意“贝尔实验室”的气氛，这刺激了他在微纳光纤的研究这本书上的工作。特别感谢他的现任和前贝尔实验室/ OFS实验室的同事David DiGiovanni, Ben Eggleton, Yuri Dulashko,John Fini, Michael Fishteyn, Samir Ghalmi, Siddharth Ramachandran, Paul Westbrook and Andrew Yablon进行了富有成果的讨论和磋商。

作者

2009年4月

介绍

在过去30年中，直径大于波长的光纤引导光已经在光通信，传感，功率输送和非线性光学得到广泛应用，。例如，通过光在光纤中的全内反射传输，光的能量已经被用来穿越海洋传播通讯，以潜入建筑物进行安全监测，或者用来进行穿刺组织激光手术，以及许多包括从从照明和成像到天文研究的其他应用。纳米技术的最新进展和对快速反应，占地面积小，灵敏度高，功耗低的需求增加。从而促使光纤和光纤器件向小型化的方向努力。因此，制造亚波长直径光纤的一个重要动机是其在未来的微或纳米尺度的光子元件或器件和介观光学研究工具的潜在用处。引导光线总是很有趣，但观察它们在这些尺度上的工作原理还没有尝试过。

1.1微纳光纤简史

对光波导传输的历史可以追溯到第十九世纪，当Daniel Colladon和John Tyndall在研究水的路径上的定向光束时，由于水-空气界面折射率的变化，光被内部反射所限制。在1880年，William Wheeling的专利发明的管道光通过管道反射镜反射。 在这个想法中，光被重定向，用和管道一样的管子沿管道注入和输送的方式进行分支和输送。 另一方面，在Wheeling研究出光管道之后的不久，在1887年，一名叫Charles Vernon的英国物理学家报告了使用飞行箭从熔融矿物中提取非常薄的玻璃纤维，这可能代表了具有微或纳米直径的锥形拉制玻璃纤维的第一次书面记录。这些纤维可以比一微米细，被称为玻璃所制的“最好的线”。几年后，绘制这些薄纤维的方法被发展成为“实验室艺术”之一，这在Richard Threlfall的“实验室艺术”一书中有记载。然而，当时这些“最好的线”，这里我们称之为微纳光纤（MNF），并不是为了光传输做准备，由于其高均匀性和良好的弹性被用于对于机械的应用，如弹簧振镜。此外，由于它的小尺寸，当其值低于可见光的波长时，是难以精确地确定的纤维的厚度的。据笔者所知，最早的利用MNF进行光传导的例子是在1959年由Narinder S. Kapany报道的，利用由大量微观和亚微米直径的纤维组成的纤维束传输图像。在1960年Theodore Maiman发明了第一个激光器，不久后的1966年，Charles Kao和George Hockham提出了利用高纯玻璃实现低光学损耗的可能性，这极大地促进了光纤通信行业的建立。

从1970年代起，随着光纤研究产业的繁荣，超细纤维锥形标准玻璃纤维作为光波导开始发挥作用。基于这些纤维，一些可能的应用包括光耦合器、滤波器、传感器，倏逝场放大和超连续谱的产生被论证。在1999年，对亚波长直径纤维的理论工作是由J. Bures和R. Ghosh基于理论计算后进行的报道。他们预测光纤附近的渐逝场增强的功率密度，这可能被用于原子反射镜。

在2003年，L. Tong和共同作者实验证明低损耗光波导远低于光波长径，这更新了光学微纳光纤研究兴趣的微型光学元件和设备的潜在模块。几年后，在亚波长直径模制造和性能方面的一些工作被报道，包括各种基于MNF的元件或设备，从谐振器、滤波器，干涉仪，激光传感器，连同许多其他在非线性光学和原子光学的应用被证明或提出。

除了上述MNF玻璃，还有其他的一些独立的一维的或像丝一样微型纤维或纳米结构，晶体的胡须半导体纳米线和聚合物微纳光纤，已被广泛的研究，这表明了光学导波的潜在势头。在这些结构中，物理拉伸的聚合物MNF，虽然他们最初不是针对光的传导，像玻璃一样具有类似的特性，低损耗光波导非常均匀，长度长，因而在本书的讨论范围之内。

1.2 MNF的概念和本书的范围

这里介绍一个复杂的概念，这有助于它与一个标准的玻璃纤维的原理比较。图1.1所示是一种典型阶跃折射率光纤的截面图，它由两部分组成（保护缓冲层没有显示在这里）：一个实心圆柱芯，周围包层折射率相对较低。根据不同的应用，纤维的直径范围从几十微米（例如，光纤传感）到大于1毫米（例如，用于激光功率输送），相应的核心直径范围从几微米到几百微米。在光通信的单模光纤中，如康宁SMF28标准单模光纤，光纤芯径为9um和125mu;m。如图1.2（a）所示，在射线光学的观点中，沿着光纤传输的光被限制在光纤内部并通过全内反射来引导，在许多教科书中在介绍光纤时进行了很好地描述。

值得注意的是，在光照到界面的反射区域，一定部分的光穿透高折射率芯的边界，在包层中传播形成倏逝场，最后回到纤芯，形成在轴向方向称为Goos-Hanchen位移的反射光线。当芯的直径减小时，光更频繁地穿过边界，并且在芯外传播的概率（如渐逝波）增加，如图1.2（b）所示。

当核心直径低于光的波长时，光功率相当大的一部分在纤芯外部传播，如图1.3所示。在这种情况下，光纤的纤芯直径厚度不够，通过光线的反射干扰产生稳定的磁场，这意味着光线光学（如图1.2所示）不再适用，而光线应该视为一个电磁场。一个核心直径小于光的波长的光纤，芯和包层之间的一个高折射率对比度需要获得一定程度的光学限制，这是光波导在这些亚波长直径光纤的实际应用要求。由于光纤（主要是由二氧化硅）的折射率不高，低折射率介质（或环境），如真空、空气、水和聚合物，通常被用作覆层材料。

对于传统的光纤制造类似于自上而下的制备技术，通常是由物理拉伸粘性熔体或溶液制备，如图1.4所示。通常，用于制备的材料是玻璃纤维，块状玻璃或聚合物。当原料部分被加热熔化或溶剂被溶解，可能在一个区域获得粘度适当的MNF，在适当的拉伸速度下直径30纳米的优质MNF可被获得。与其他许多已用于MNF或其它一维纳米结构制备的技术相比，物理拉伸技术产生的光纤，具有无与伦比的均匀性。优良的均匀性不仅使低光波导损耗，同时使MNF具有较高的机械强度和灵活性。例如，图1.5（a）给出了一个直径为450纳米的二氧化硅MNF的扫描电镜图像，清楚地显示出其非凡的纤维均匀性。图1.5（b）给出了一个打结的直径为500纳米的二氧化硅MNF的扫描电镜图像。该纤维在光学显微镜下第一次打结到约50mu;m的大小，然后转移到人的头发的侧壁上。这些微操作未见破损，说明锥形玻璃拉丝MNF具有高机械强度和弹性。

由于其微小的端面，常规光纤发射光透镜聚焦的对接耦合方法不适用于MNF。相反，由于其高效率和方便管理，通常采用锥形挤压或渐逝耦合制备亚波长直径光纤。如图1.6所示，锥形挤压是挤压光从厚到薄MNF纤维的一种简单方法；然而对于独立的微纳光纤，两个密切联系的微纳光纤之间的渐逝波耦合已被证明可以有效和方便地将光从发射光纤发送给目标。

与传统光纤相比，高指数的对比度和微纳光纤亚波长直径可能有一些有趣的性质，如紧光限制，大部分倏逝场，管理大的波导色散，场增强和通过急弯时的低光损耗，使微纳光纤的光子学应用具有巨大潜力。例如，指导一个633 nm波长的光时，一个直径为450纳米的二氧化硅微纳光纤有80%光功率在纤芯（见图1.7（a）），使得它可以引导光通过一个5mu;m的弯道损失，这是理想的光学电路和元件小型化的需求。当纤维直径减小到200 nm，90%以上的光功率透出光纤成为渐逝波导（图1.7（b）），它可以提供基于MNF高灵敏度光学传感。此外，在低维的横截面，管理分散，场增强在实现低阈值对小型规模的非线性光学效应被证明是有益的，已发现在原子捕集和指导上具有很大的通用性。

本书旨在提供最新的对亚波长直径光纤MNF的研究的一般介绍。从简介开始对本章中的光学MNF进行概述，第2章专门讨论理论的波导特性的微纳光纤，可以为光在亚波长直径MNF的传导提供一个全面的了解，以及MNF的干涉仪和谐振器之间的倏逝波耦合理论。第3章介绍了物理拉伸玻璃和聚合物MNF的典型方法。电子显微镜研究还提供了MNF。第四章是补充章节2，提供MNF的实验性质，包括显微操作，机械强度，光学损耗和底物的影响，这对实际使用MNF是至关重要的。第5章介绍了目前为止各种基于MNF的光子元件和器件包括线性波导，波导弯曲，光耦合器，干涉仪，谐振器，滤波器和激光器。第6章介绍了 MNF光学传感器作为最广泛关注的应用之一。最后，第7章提供简要总结了MNF在非线性光学，原子光学中应用的其他可能性。

虽然我们都试图提供这一问题的综合考虑，但我们不保证研究完全覆盖特性。很抱歉，我们不能涵盖这本书中所有的工作。最后，由于光学微纳光纤或纳米光纤具有包括光子学领域，纳米技术和材料科学的广阔的领域，我们希望那些在这些领域的工作将在一定程度上受益于这本书，并发现它很有趣并且刺激。

2 微纳光纤的光波导特性：理论与数值模拟

对于光学和光子学的应用，波导行为是微纳光纤最关注的性能，这已被广泛研究的理论和实验研究证明。本章介绍了基于解析法和数值方法的微纳光纤的理论性质。

2.1 理想的微纳光纤的基本指导性

虽然直到19世纪60年代微纳光纤不用于导光，但是基于麦斯威尔方程和边界条件亚波长直径圆柱形纤维的波导理论的早已确立。对于理论研究，一个圆柱形纤维的特殊优势（一个完美的圆形截面）是可能获得的所有模式的波导负载的分析解决方案，这大大促进了对微纳光纤的指导性质的研究和认识。

2.1.1数学模型

对于基本调查，直的光纤假定有一个圆形的横截面，一个光滑的侧壁，一个均匀的直径，一个具有台阶指数分布的无限空气包层。光纤的长度是足够大地建立空间的稳定状态，同时光纤的直径（D）不是很小（例如，D gt; 10 nm），散装材料的介电常数（ε）和渗透系数（mu;）可以用来描述一个介质的入射电磁场的响应。

对于上述的假设，一个空气包层光纤的数学模型如图2.1所示，其中的纤维材料和空气的折射率分别为n1和n2。

通常，光纤材料和包层介质都是介电的，并且在它们的透明光谱范围内使用。因此，微纳光纤可以被视为一个非耗散和无源的波导。

2.1.2单模条件和基本模式

单模条件的空气或水复合硅胶模相对于波长与光纤的直径，在图2.3所示，DSM的典型波长表2.1列出。

在图2.4中，线下面的区域（用于空气包层光纤的实线和用于包层光纤的虚线）对应于单模区域。例如，在波长为633 nm（He-Ne激光器），空气包层光纤DSM是457 nm的，而由于二氧化硅和水之间的相对较低的指数对比度对于水包光纤DSM增加到824纳米。作为参考，DSM在633nm波长的其他类型的玻璃纤维的操作也提供在表2.2。

图2.5演示了对于波长为1530nm的光公式（2.11）的准确性。

归一化的电器元件的圆柱形配合HE11模式空气包覆二氧化硅MNF波长633 nm，如图2.6所示。作为参考，高斯分布（虚线）在径向分布，一个直径DSM的MNF电场也设置为虚线。相比于高斯分布，由于空气和硅之间的高折射率对比，在一定范围内（例如，直径约400 nm），空气包层石英MNF表明更严格的限制。当纤维直径降低到一定程度（例如，200纳米），延伸到一个遥远的距离具有相当大的幅度，表明该段的大部分不再被紧紧地限制在内部或周围的纤维。

2.1

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