[发明专利]一种光纤表面等离子体激元激发聚焦装置及其制作方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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作方法。

本发明的目的是这样实现的：

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3一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。

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。

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20μm，外径23.2至26μm，仅LP₀₁模和LP₁₁模可传输。

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。