纳米纤维 Nanofibers

2022-11-07 13:53:29 浏览:279

定义

横向尺寸小于一微米的光纤。

光学纳米纤维,也称为光子纳米线,是直径在数十到几百纳米范围内的光纤。 这意味着直径通常远低于光学波长。 亚波长光纤的替代术语强调了这一重要方面。 这种纳米线可以具有特殊的机械和光学性能。

性能

由于光纤和空气的折射率差大,数值孔径非常高,有效模面积很小。 为了精确计算模态属性,需要全矢量模型,因为无法满足近轴近似。

二氧化硅纳米线具有出色的机械强度,允许弯曲半径为几微米。 高数值孔径即使在如此紧密的弯曲下也能保持较低的弯曲损失。 紧密盘绕的光纤可用于微型光纤谐振器。

由于有效模面积小,在纳米纤维中引导的光可能会经历强烈的非线性,并且与光纤表面外的显着倏逝场有关。 对于直径低于≈0.6μm的纤维(在二氧化硅纤维的情况下),导光的模半径随着纤维直径的进一步减小而增加[5],这主要是因为较薄的纤维的“引导力”变弱。 然后,大部分光功率在光纤外的倏逝场中传播。

制造

可以使用多种技术来制造光学纳米光纤。 特别低损耗的纳米纤维[8]是通过对较大的光纤(主要是二氧化硅纤维)进行锥形,即通过加热和拉伸它们在火焰上(火焰刷涂)获得的。 为了将损耗保持在较低水平,锥度过渡应非常平滑(绝热锥形)。 然而,即使对于恒定的纤维直径,当直径太小时,损耗也会变得非常高。

使用完全不同的技术,人们可以制造半导体纳米线[15]

应用

尽管光学纳米线是一个相当新的研究领域,但已经确定了各种可能的应用,并在某些情况下得到了证明。 一些例子是:

  • 对于低峰值功率,纳米线[7,11]中的超连续体生成是可能的,因为光以高度集中的方式传播。
  • 强烈弯曲的纳米线可以形成非常微小的环形谐振器(微腔,微环干涉仪)[6],可以充当陷波滤波器[9],并可用于基础研究[3]
  • 强大的消逝场表明了在化学或生物物种的光纤传感器领域的应用。
  • 小尺寸允许探测来自原子或类似粒子的荧光[12]
  • 可以想象,通过在小型纳米纤维谐振器中加入一些激光活性掺杂剂,可以构建具有非常低阈值泵浦功率的激光器。

参考文献

[1] R. J. Black et al., “Tapered fibers: an overview”, Proc. SPIE 0839 (1988)
[2] K. J. Vahala, “Optical microcavities”, Nature 424, 8394346 (2003), doi:10.1038/nature01939
[3] S. M. Spillane et al., “Ideality in a fiber-taper-coupled microresonator system for application to cavity quantum electrodynamics”, Phys. Rev. Lett. 91 (4), 043902 (2003), doi:10.1103/PhysRevLett.91.043902
[4] L. Tong et al., “Subwavelength-diameter silica wires for low-loss optical wave guiding”, Nature 426, 816 (2003), doi:10.1038/nature02193
[5] L. Tong et al., “Single-mode guiding properties of subwavelength-diameter silica and silicon wire waveguides”, Opt. Express 12 (6), 1025 (2004), doi:10.1364/OPEX.12.001025
[6] M. Sumetsky et al., “Fabrication and study of bent and coiled free silica nanowires: Self-coupling microloop optical interferometer”, Opt. Express 12 (15), 3521 (2004), doi:10.1364/OPEX.12.003521
[7] S. G. Leon-Saval et al., “Supercontinuum generation in submicron fibre waveguides”, Opt. Express 12 (13), 2864 (2004), doi:10.1364/OPEX.12.002864
[8] G. Brambilla et al., “Ultra-low-loss optical fiber nanotapers”, Opt. Express 12 (10), 2258 (2004), doi:10.1364/OPEX.12.002258
[9] M. Sumetsky et al., “The microfiber loop resonator: theory, experiment, and application”, IEEE J. Lightwave Technol. 24 (1), 242 (2006), doi:10.1109/JLT.2005.861127
[10] M. Sumetsky, “How thin can a microfiber be and still guide light?”, Opt. Lett. 31 (7), 870 (2006), doi:10.1364/OL.31.000870
[11] R. R. Gattass et al., “Supercontinuum generation in submicrometer diameter silica fibers”, Opt. Express 14 (20), 9408 (2006), doi:10.1364/OE.14.009408
[12] K. P. Nayak et al., “Optical nanofiber as an efficient tool for manipulating and probing atomic fluorescence”, Opt. Express 15 (9), 5431 (2007), doi:10.1364/OE.15.005431
[13] M. A. Foster et al., “Nonlinear optics in photonic nanowires”, Opt. Express 16 (2), 1300 (2008), doi:10.1364/OE.16.001300
[14] D. Yeom et al., “Low-threshold supercontinuum generation in highly nonlinear chalcogenide nanowires”, Opt. Lett. 33 (7), 660 (2008), doi:10.1364/OL.33.000660
[15] R. Yan et al., “Nanowire photonics”, Nature Photon. 3 (10), 569 (2009), doi:10.1038/nphoton.2009.184
[16] Shahraam Afshar V. et al., “Small core optical waveguides are more nonlinear than expected: experimental confirmation”, Opt. Lett. 34 (22), 3577 (2009), doi:10.1364/OL.34.003577
[17] R. Yan, D. Gargas and P. Yang, “Nanowire photonics”, Nature Photonics 3, 569 (2009), doi:10.1038/NPHOTON.2009.184
[18] G. Brambilla et al., “Optical fiber nanowires and microwires: fabrication and applications”, Advances in Optics and Photonics 1 (1), 107 (2009), doi:10.1364/AOP.1.000107
[19] J. J. Morrissey et al., “Spectroscopy, manipulation and trapping of neutral atoms, molecules, and other particles using optical nanofibers: a review”, Sensors 13 (8), 10449 (2013), doi:10.1117/12.942540
[20] H. Sun et al., “Giant optical gain in a single-crystal erbium chloride silicate nanowire”, Nature Photonics 11, 589 (2017), doi:10.1038/nphoton.2017.115

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