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2008-05-23 12:06 |
走向納米尺度的下一代光纖
作者：Gilberto Brambilla 來源：《激光世界》 %Xi%LUk{
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近幾年，納米科學(xué)和納米技術(shù)引起了人們的極大興趣，這是因為當(dāng)材料以納米尺度構(gòu)造時會表現(xiàn)出一些新奇的特性。在過去的二十年中，人們采用廣泛的技術(shù)已經(jīng)用多種多樣的材料構(gòu)造出了納米絲和亞波長絲，這些技術(shù)包括電子束刻蝕、激光消融、模板法、氣相-液相-固相技術(shù)、物理或化學(xué)氣相沉積和溶膠-凝膠法。 `=*svrmS
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盡管以前利用二氧化硅曾經(jīng)制造出過光學(xué)納米絲，但它們大多數(shù)沿長度方向都具有不規(guī)則的形狀。表面粗糙和長度方向的不均勻性似乎限制了本應(yīng)很容易達(dá)到的損耗水平，從而也限制了它們在光學(xué)上的應(yīng)用。 }lY-_y
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納米絲也可以通過光纖拉制而成，這個過程可以實現(xiàn)非常低的表面粗糙度和很高的均勻性。這些納米絲的低光學(xué)損耗為大量新興光學(xué)器件在通信、傳感、生物以及化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新道路。 %(]rc%ry0
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光纖納米絲由光纖通過絕熱拉伸而成，并在輸入和輸出端保持原來的光纖尺寸，以便于與標(biāo)準(zhǔn)的光纖和光纖器件連接。這些光纖尾纖具有宏觀尺寸，因此不需要應(yīng)用于納米范疇的昂貴儀器就可以對單根納米絲進行操作。 3k/Mig T
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火焰燒蝕法 .jKO 6f
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在過去的四年中，由光纖制造的納米絲技術(shù)已經(jīng)建立了一種可靠的生產(chǎn)方法來獲得足夠低的損耗，以滿足光纖器件的應(yīng)用需求。一種叫做“火焰燒蝕”的技術(shù)可以制造具有最低測量損耗的最長、最均勻的納米絲�；鹧鏌g技術(shù)開發(fā)的初衷是用于制造光纖錐和耦合器，其制造過程是讓一小團火焰在一段被拉伸的光纖下面移動，通過控制火焰的移動和光纖的拉伸，能夠以極高的精度確定光纖錐的形狀。 :Ls36E8f=
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盡管采用這種技術(shù)可以很容易獲得直徑在1μm范圍內(nèi)的光纖錐，但是制造半徑為30nm的納米絲卻是一個很大的挑戰(zhàn)，并且需要對處理溫度和納米絲周圍的氣流進行精確地控制。南安普敦大學(xué)的研究人員已經(jīng)利用火焰燒蝕技術(shù)制造出由光纖拉制的迄今為止損耗最低、長度最長的納米絲。由這種技術(shù)制造出的納米絲具有極好的均勻性，納米絲的長度是直徑波動的數(shù)百萬倍。目前已經(jīng)制造出長度大于100mm的納米絲，測量的光學(xué)損耗低至1dB/m。 <ZiO[dEV
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獨特屬性 kel {9b=i
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光學(xué)納米絲具有很多光學(xué)特性和機械特性。首先，它們具有極好的柔韌性，并且由于納米絲的機械強度較高，因此它們可以很容易地被操做和彎曲。雖然通信光纖在彎曲半徑小于10mm時就會產(chǎn)生相當(dāng)大的光學(xué)損耗，但光學(xué)納米絲可以做到在數(shù)微米的彎曲半徑下仍具有相對較低的誘導(dǎo)損耗，因此可以實現(xiàn)幾何形狀復(fù)雜的高度緊湊器件。其次，它們具有較大的瞬逝場，與所有的光都被限制在纖芯/包層的玻璃結(jié)構(gòu)中不同，在光學(xué)納米絲中透射功率的相當(dāng)一部分可以在納米絲物理邊界以外的瞬逝場中傳輸。最后，它們具有較高的非線性系數(shù)。非線性過程很大程度上依賴于光強，可以通過高功率光源或小波導(dǎo)來增大光強。與傳統(tǒng)通信光纖相比，光學(xué)納米絲中的光束可以在較長的器件長度上被限制到比過去小100倍的區(qū)域中，此可以在相對適中的功率水平上觀測到非線性相互作用，例如超連續(xù)光譜產(chǎn)生。 u "%fz8v
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在這些特性中，大瞬逝場當(dāng)然是實現(xiàn)傳感器和器件最吸引人的特性。在亞微米區(qū)域，光纖的直徑比在其中傳輸?shù)墓獠ㄩL還要�。挥捎谘苌�，光不可能被限制在光纖中。相當(dāng)一部分光功率在光纖物理邊界的外部傳輸；當(dāng)光纖半徑接近100nm時，波長為1.55祄的光就會在很大程度上發(fā)生衍射，其光斑尺寸比光纖的物理尺寸大100倍。換句話說，99%以上的光功率都在光纖的外部傳輸。 " duJl-
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因為瞬逝場存在于周圍介質(zhì)中，因此它可以用作化學(xué)傳感器。直接將其鍍上鈀膜可以得到一個具有快速響應(yīng)時間（小于10s）的卓越的氫傳感器。盡管如此，相互作用長度仍受限于光學(xué)納米絲的長度，其長度一般為幾個毫米。把光學(xué)納米絲本身纏繞起來，光就會限制在微線圈中，并且可以在到達(dá)輸出尾纖之前環(huán)繞幾千圈。這個特性擴展了器件的有效長度，因此使其與被測的化學(xué)成分的相互作用長度要長得多。比如，一個亞毫米直徑的簡單線圈可以具有超過1m的相互作用長度。與其他遇到非常大的輸入/輸出耦合問題的高Q值諧振腔相比，微線圈具有易于與其他光纖和光纖耦合器件連接的優(yōu)點，因為它在尾纖末端具有標(biāo)準(zhǔn)光纖。 L:<'TXsRA
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化學(xué)與生物傳感 . ~<+
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由于光纖微線圈諧振腔具有很窄的諧振頻率，從而可用于制造窄帶濾波器和高靈敏度折射傳感器，這引起了人們的極大興趣。折射傳感器是化學(xué)與生物傳感器，它們通過測定折射率的變化來測量特定化學(xué)/生物混合物的濃度。在這些傳感器中，高Q因數(shù)（或窄帶寬）意味著較低的探測極限（被分析物的最低可探測量），大瞬逝場帶來高靈敏度（折射率的單位變化導(dǎo)致諧振波長的漂移）。對于這種類型的傳感器，小尺寸、高靈敏度和低探測極限是最為重要的指標(biāo)。 ,aJrN!fzU
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光學(xué)納米絲非常適合于嵌入到低折射率材料中應(yīng)用。諧振腔線圈內(nèi)部的大部分區(qū)域是空的，這形成了一個固有的流體通道將樣品運送至傳感器（不像大多數(shù)環(huán)形或微球形諧振腔），因此還需要一個附加通道。把光學(xué)納米絲纏繞在一個可隨意改變的棒上，然后涂上一層低折射率聚合物，再將棒移走就可以很容易地制成納米絲微線圈傳感器。不同的光學(xué)納米絲尺寸和涂敷厚度，使這種傳感器具有不同的靈敏度。測量結(jié)果顯示，對于200nm的納米絲尺寸和數(shù)十納米的涂敷層厚度，探測極限可以低至10-7，這意味著它可以在一千萬個溶劑分子中檢測出一個被分析物分子。這比以前提出的任何一種傳感器的靈敏度高10倍以上。 !8g
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光學(xué)操縱 9 2EMDKJ
操縱納米絲表面的細(xì)胞和其他粒子是得益于大瞬逝場的另一個應(yīng)用。研究表明，光梯度對于利用光鑷捕獲粒子極為有用。近年來，由于同時對大量粒子進行連續(xù)操縱成為可能，因此表面光學(xué)操縱引起了人們的極大興趣。這項技術(shù)在無菌環(huán)境中對大量細(xì)胞進行分類具有獨特優(yōu)勢，而這在生物醫(yī)學(xué)研究中是經(jīng)常要用到的。 lySa
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