[发明专利]光纤端蜂窝与正方格子结构光学天线及其制备方法

说明书

本发明提供的是一种光纤端蜂窝与正方格子结构光学天线及其制备方法。其特征是：所述的光学天线主要由一段多芯光纤1组成，多芯光纤1的一个纤端经过研磨形成纤端圆锥台2，而纤端圆锥台2的端面上采用原子光刻技术沉积有二维阵列金属光学天线3；这里，多芯光纤1包含包层4、中央纤芯5以及多个偏芯6，中央纤芯5位于包层4的中央，多个偏芯6均匀分布在中央纤芯5的四周；一方面，中央纤芯5(或多个偏芯6)传输的传导光波7直接(或经过纤端圆锥台2全内反射后)作用在二维阵列金属光学天线3上，两者相互作用后激发出光辐射场信号8；另一方面，光辐射场信号8作用于二维阵列金属光学天线3后形成信号光波9，然后直接被中央纤芯5接收或者经过纤端圆锥台2收集后被多个偏芯6接收。本发明可用于光电探测、传感、热传导、太阳能电池、以及光谱分析等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光纤端蜂窝与正方格子结构光学天线及其制备方法，可用于光电探测、传感、热传导、太阳能电池、以及光谱分析等领域，属于纳米光学技术领域。

(二)背景技术

随着时代的发展，人们对天线尺寸小型化的要求不断提高，导致微波射频天线的概念被引入到光频段，产生了亚波长元素所构成的纳米光学天线。然而，波长越短，天线的结构越小，在可见光和近红外光波段，电磁波的波长已经小至纳米量级，要实现纳米光学天线的应用，比如将光波高效地耦合到纳米量级器件中并非易事。此外，由于衍射极限的存在也极大的限制了天线的设计。而纳米光学天线的出现则解决了这一衍射极限问题。当光波入射到物体表面时，除了光的折射、反射和衍射现象之外，还有一部分被称为“隐失波”的光波沿物体表面传播。隐失波相比其它传播方式包含了更多限制，使传统透镜无法对其进行捕捉。通过捕捉隐失波的信号，可以突破衍射极限的限制，使纳米光学天线可以实现超衍射极限成像。例如，金属纳米颗粒在光波段具有局域表面等离激元共振的特性，使其可以突破衍射极限，实现纳米尺度范围内的光场操控，因此这些金属纳米结构可以作为纳米光学天线。

在光纤端面制备金属纳米结构并实现传感器功能已经有较多的研究报道。由于光纤本身具有芯细、体长等物理特征，将光纤端面作为支撑金属光子结构的基底对制备工艺而言是巨大的挑战。2012年，Yang等利用干涉光刻结合电子束蒸镀的方法在纤芯直径为50μm的多模光纤端面制备了周期为317nm、纳米柱直径为160nm的银纳米柱阵列结构(Opt.Express,2012,20(22):24189-24826)；2015年，Xie等利用双光子光刻结合真空蒸镀和紫外脉冲激光辐射的方法，在光纤端面制备出了3D类雷达结构的SERS传感器(Adv.Opt.Mater.,2015,3(9):1232-1239)。这些方法为在光纤端制备光学天线提供了具有重要参考价值的技术途径。

为了拓展纤端光学天线器件的功能和实现方法，本发明公开了一种光纤端蜂窝与正方格子结构光学天线及其制备方法，可用于光电探测、传感、热传导、太阳能电池、以及光谱分析等领域。与在先技术相比，本发明通过光纤端微加工技术，在光纤端生成强聚焦纤端干涉光场，一方面，可以借助于该干涉光场对金属原子气体的操控，制备出纤端金属光学天线。该纤端光学天线在光纤波导光场的激发下，又进一步激发出可增强光与物质相互作用的等离子波，可极大地提高探测灵敏度；另一方面，在光纤端生成的强聚焦干涉光场又具有光镊的功能，可用于待探测微纳粒子(或分子团)的俘获与局域化操控。这就同时既解决了光学天线制备的技术，又解决了待测物质纳米局域化这两大难题。此外，三纤芯结构既可用于光激发与光发射通道，还可用于作为探测接收的后向散射或反射信号光的通道。该纤端光学天线作为一种特殊的等离子激元的修饰结构，能够与光纤波导传输的光发生直接或间接的相互作用，从而实现更高的探测精度和灵敏度，具有更加广泛的应用前景。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤端蜂窝与正方格子结构光学天线及其制备方法。

本发明的目的是这样实现的：