一种光纤表面等离子体激元激发聚焦装置及其制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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造方法。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：
[0008] 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 -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。
[0009] 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。
[0010] 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20 μ m，外径23. 2至26 μ m，仅LPtll模和LP ^模可传输。
[0011] 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。
[0012] 利用光纤熔接机将单芯光纤2 -端和环形芯光纤3 -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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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了凡 1模式径向偏振光，有效解决了光纤中不 易分离出TMtll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】
[0016] 图1光纤SPP激发聚焦装置示意图
[0017] 图2TMQ1模式模场分布示意图
[0018] 图3环形芯光纤内各传输模式有效折射率仿真图
[0019] 图4单芯与环形芯光纤焊点处拉锥时模式耦合示意图
[0020] 图5环形芯内径向偏振光激发结构示意图
[0021] 图6环形芯光纤端面SPP激发聚焦结构示意图