一种导波方式产生亚纳米级约束光场的结构

本发明属于纳米光子学研究领域，具体地说，涉及一种导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，特别涉及一种光纤耦合纳米线对波导的方法。

背景技术：

1、产生具有更强空间限制的光束或光场一直是基础和应用技术研究的热点。基于金属中自由电子的相干和集体振荡，表面等离激元可以在光波段将光场限制在远远超过真空光学衍射极限的范围内，并已广泛应用于微纳波导、纳米激光器、表面增强拉曼光谱和光学传感等各个领域。然而在光波频段，当等离激元模式被限制到一定程度时(例如在可见光波段约束至低于10nm)，振荡自由电子的光学损失将随着限制的增加而急剧增加，这大大降低了场的强度和相干性。此外，对于表面等离激元模式，随着光学约束的不断增强，模式和外部自由空间光场的动量失配迅速增强，意味着实际应用中光与物质相互作用的效率降低。

2、文献“wu,h.,yang,l.,xu,p.,gong,j.,guo,x.,wang,p.,&tong,l.(2022).photonicnanolaserwithextremeopticalfieldconfinement.physicalreviewletters,129(1),013902”突破了微纳加工工艺的限制，设计了一个有源纳米狭缝全介质法布里-珀罗腔纳米激光器。该纳米激光器绕开了金属等离激元光场限制与损耗的制约关系，并能够产生亚纳米级水平超强场约束的光场。然而，其存在以下技术问题：

3、(1)纳米激光器一般需要复杂的激光泵浦条件；

4、(2)纳米激光器采用有源谐振腔结构，其发光波长在其材料吸收峰附近，这使得其在长时间工作下会由于热积累产生不稳定性；

5、(3)纳米激光器产生激光的波长以及输出脉冲时序无法实时调整。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种导波方式产生亚纳米级约束光场的结构。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明公开了一种导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，包括一端直径均匀，另一端为锥形结构的光纤，一对并排放置的相同直径和材料的2根纳米线组成的耦合纳米线对波导，2根纳米线在光纤的锥形结构区与其紧密接触；输入光从光纤直径均匀端导入结构，并通过倏逝波耦合的方式实现光场从光纤基模到耦合纳米线对波导亚纳米级约束光场模式的演化。

4、作为进一步地改进，本发明所述的光纤一端为直径均匀的标准单模光纤，另一端是通过加热快速拉伸方法形成的锥形结构。

5、作为进一步地改进，本发明所述的纳米线和的材料为三五族或者二六族半导体，且其截面为正多边形。

6、作为进一步地改进，本发明所述的三五族或者二六族半导体为砷化镓、磷化铟、氮化镓、硫化镉、碲化镉、氧化锌或硒化镉。

7、作为进一步地改进，本发明所述的2根纳米线形成的耦合纳米线对波导具有0.1-1nm的狭缝，所述的狭缝由紧密排列时纳米线表面纳米级的粗糙度自然形成，或者精密平行排列形成。

8、作为进一步地改进，本发明所述的2根纳米线形成的耦合纳米线对波导的亚纳米级光场约束模式为类te0模式，且其在300nm-30μm光波长范围内水平方向光场强度的半高全宽均小于1nm。

9、作为进一步地改进，本发明结构输入光从光纤直径均匀端导入，其波长大于2根纳米线材料吸收峰所对应的波长，并且所述的结构输入光为水平偏振的he11基模。

10、作为进一步地改进，本发明所述的2根纳米线材料为硫化镉时，波长大于550nm。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12、(1)与之前纳米激光器产生亚纳米级约束光场的方式相比，本发明提出的结构将复杂的激光系统简化为线性波导系统；

13、(2)与之前纳米激光器产生亚纳米级约束光场的方式相比，本发明提出的结构输入光波长大于材料吸收峰所对应的波长，降低了材料的本征吸收，使得光场输出更加稳定；

14、(3)与之前纳米激光器产生亚纳米级约束光场的方式相比，本发明提出的结构在宽带和超快脉冲操作方面具有很大的灵活性，比如能够在一次输出中实现多个亚纳米级光场在空间、光谱和时间序列上的线性组合。

15、由于光场限制达到单个小分子的尺度，本发明可能为探索单分子水平上的光与物质相互作用提供一个高效而灵活的平台，并有望应用它开发如超分辨率显微成像，原子、分子操纵和超灵敏光学检测等高精密技术。

技术特征：

1.一种导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，其特征在于，包括一端直径均匀，另一端为锥形结构的光纤(1)，一对并排放置的相同直径和材料的纳米线(2)和(3)组成的耦合纳米线对波导，纳米线(2)和(3)在光纤(1)的锥形结构区与其紧密接触；输入光从光纤(1)直径均匀端导入结构，并通过倏逝波耦合的方式实现光场从光纤基模到耦合纳米线对波导亚纳米级约束光场模式的演化。

2.根据权利要求1所述的导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，其特征在于：所述光纤(1)一端为直径均匀的标准单模光纤，另一端是通过加热快速拉伸方法形成的锥形结构。

3.根据权利要求1所述的导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，其特征在于：所述的纳米线(2)和(3)的材料为三五族或者二六族半导体，且其截面为正多边形。

4.根据权利要求1或2或3所述的导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，其特征在于：所述的三五族或者二六族半导体为砷化镓、磷化铟、氮化镓、硫化镉、碲化镉、氧化锌或硒化镉。

5.根据权利要求4所述的导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，其特征在于：所述的纳米线(2)和(3)形成的耦合纳米线对波导具有0.1-1nm的狭缝，所述的狭缝由紧密排列时纳米线表面纳米级的粗糙度自然形成，或者精密平行排列形成。

6.根据权利要求1或2或3或5所述的导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，其特征在于：所述的纳米线(2)和(3)形成的耦合纳米线对波导的亚纳米级光场约束模式为类te0模式(5)，且其在300nm-30μm光波长范围内水平方向光场强度的半高全宽均小于1nm。

7.根据权利要求6所述的导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，其特征在于：结构输入光从光纤(1)直径均匀端导入，其波长大于纳米线(2)和(3)材料吸收峰所对应的波长，并且所述的结构输入光为水平偏振的he11基模(4)。

8.根据权利要求7所述的导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，其特征在于：所述的纳米线(2)和(3)材料为硫化镉时，波长大于550nm。

技术总结
本发明公开了一种导波方式产生亚纳米级约束光场的结构，包括一端直径均匀，另一端为锥形结构的光纤，一对并排放置的相同直径和材料的2根纳米线组成的耦合纳米线对波导，2根纳米线在光纤的锥形结构区与其紧密接触；输入光从光纤直径均匀端导入结构，并通过倏逝波耦合的方式实现对耦合纳米线对波导亚纳米级约束光场模式的宽谱高效高纯度耦合。与之前纳米激光器产生亚纳米级约束光场的方式相比，本发明提出的结构将复杂的激光系统简化为线性波导系统；本发明提出的结构输入光波长大于材料吸收峰所对应的波长，降低了材料的本征吸收，使得光场输出更加稳定，提出的结构在宽带和超快脉冲操作方面具有很大的灵活性。

技术研发人员：童利民,周展科,杨柳,吴昊,党红亮,杨宇鑫,高佳欣,郭欣,王攀
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14