[发明专利]一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法

说明书

本发明涉及精确测量具有亚波长数量级的纳米光纤的腰部区域直径,具体为一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法，解决了现有方法如利用回音壁模或二次谐波产生测量纳米光纤直径时需要对数据进行复杂后续处理得出纳米光纤的直径以及问题。利用外部光栅谐振腔测量纳米光纤直径的方法具体为如下步骤:在硅基材料的平面上构建外部光栅及谐振腔参数；搭建外部光栅谐振腔测量纳米光纤直径系统；在高分辨率光谱仪中观察共振峰并调节线偏振器实施精确测量。本发明所述的方法装置结构简单、对样品无污染及损伤、综合成本较低、操作容易并能够将测量直径精度提高至1nm。可广泛用于亚波长波导及光纤径向尺寸的精密测量领域。

技术领域

本发明涉及精确测量纳米光纤直径的方法，具体为一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法。

背景技术

光纤光锥在腰部区域具有亚波长直径，被称作纳米光纤，利用光在这种媒质传播时具有强光场约束、近场光学耦合等特性，纳米光纤被广泛应用于激光冷却原子，光纤耦合固态量子光源等领域，利用被测样品与微纳光纤导模相互作用时，散射、吸收、色散、发光等传输光特性的改变，可以用来来检测诸如温度、压力、浓度等一系列物理量，可应用于传感领域（参见文献M.J. Morrissey,et al., Sensors, 13(8):10449(2013)），为纳米光子学的发展提供了一个重要的平台。近来，使用光学晶体谐振腔及纳米光纤和纳米光栅将量子发射器谐振腔耦合到纳米的光纤上获得了成功（参见文献K.P.Nayak,K.Hakuta,OpticsExpress,21(2):2480-2490(2013)），但是这些方法的测量过程复杂并不适用于快速高效测量。在纳米光纤上制作光子晶体的方法如在纳米光纤表面制造方面也获得了一些发展，但是这种在纳米光纤表面制造容易对光纤产生损坏，并且对工艺要求非常高，不适用于一般的纳米光纤测量实用性要求。用回音壁模方法（参见文献T. A .Birks,J.C.Knight,T.E.Dimmick,IEEE Photonics Technology Letters,12(2):182-183(2000)）测量微型波导已有人提出，基于回音壁模的介质谐振腔具有很高的品质因数和极小的模式体积等特性曾经引起了广泛的关注，这些方法需要复杂的数据后续处理才能够测出纳米光纤的直径。用扫描电子显微镜来测量纳米光纤的直径虽然是一种非常常见的方法，扫描电子显微镜是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品之间相互作用产生二次电子、背景散射电子等对样品表面形貌进行观察和分析。然而经过放大的图像边缘难以确定，会产生测量误差，除此之外电子束的能量引起照射点的局部加热可能影响物体表面性质，高分辨率的扫描电子显微镜价格及维护成本均不可忽视，不适合推广。综上所述，现有方法获得的方法存在测量装置复杂、有的方法需要后续复杂的数据处理、精确度不高、容易造成污染、测量耗时等问题。

发明内容

本发明为了解决现有方法获得纳米光纤的直径的方法存在测量复杂，需要后续数据处理，精确度不高、存在污染及对样品损害等问题。提供了一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法，包括如下步骤：

（一）在硅基材料的平面上构建外部光栅及谐振腔：在硅基材料的平面上制作形状为矩形的谐振腔和光栅。谐振腔位于硅基材料的平面中心，宽度为480nm、深度为2μm，光栅周期为320nm、板条深度为2μm、光栅板条数目为200个、占空比为10%，分布在谐振腔的两边，形成外部光栅谐振腔。如图1所示，利用扫描电子显微镜观察到的待测的纳米光纤与外部光栅谐振腔示意图，水平白色的部分为待测量纳米光纤，中心处较宽的部分为谐振腔，谐振腔的两边分别为光栅，板条为两黑色部分中间的白色部分，总共200个。