我们介绍一种利用飞秒激光诱导烧蚀技术在亚波长直径二氧化硅光纤（光学纳米光纤）上制备一维光子晶体微腔的实验方案。
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本文内容
摘要
摘要
我们提出了一种利用飞秒激光烧蚀技术在亚波长直径锥形光纤（即光学纳米光纤）上制备一维光子晶体（PhC）微腔的方案。实验表明，仅通过单个飞秒激光脉冲辐照，即可在光学纳米光纤上加工出数千个周期性纳米凹坑。对于典型样品，在直径约为450–550 nm的纳米光纤上，沿1 mm长度范围内制备出周期为350 nm、直径从50–250 nm逐渐变化的周期性纳米凹坑。此类纳米加工的一个关键特点是，纳米光纤本身充当柱面透镜，将飞秒激光束聚焦在其背光表面。此外，单次脉冲加工方式使其免受机械不稳定性和其他加工缺陷的影响。纳米光纤上的这种周期性纳米凹坑结构构成了一维PhC，能够在保持阻带外高透射率的同时实现强而宽频带的反射。我们还介绍了一种控制纳米凹坑阵列轮廓的方法，用于在纳米光纤上制备切趾型和缺陷诱导型PhC微腔。基于纳米光纤的PhC微腔对光场在横向和纵向均具有强限制能力，并且能够高效集成到光纤网络中，这可能为纳米光子学应用和量子信息科学开辟新的可能性。
引言
光在纳米光子器件中的强限制为光学科学开辟了新的前沿领域。现代纳米制造技术已实现了用于激光1、传感2和光开关应用3的一维和二维光子晶体（PhC）微腔的制备。此外，这些光子晶体微腔中强烈的光与物质相互作用，为量子信息科学开辟了新的研究方向4。除了光子晶体微腔外，等离激元纳米微腔也展现出广阔的应用前景5,6,7。然而，将此类微腔与基于光纤的通信网络进行集成仍是一个挑战。
近年来，具有亚波长直径的锥形单模光纤（称为光学纳米光纤）已成为一种前景广阔的纳米光子器件。由于纳米光纤对导波场具有强烈的横向约束能力，并能与周围介质相互作用，因此已被广泛应用于各种纳米光子学领域8。此外，它在光与物质的量子操控方面也受到广泛关注和研究9。已有研究实现并验证了单个或少量激光冷却原子、单个量子点等量子发射源的发光高效耦合至纳米光纤的导模中10,
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方案
警告：请佩戴安全护目镜，严格避免直接暴露于紫外灯及所有激光（包括飞秒激光）下。穿戴洁净室防护服和手套，以防止污染。将任何光纤废弃物妥善 disposed 于指定的垃圾桶中。
1. 纳米纤维制备
- 使用光纤涂覆层剥离器在单模光纤上相距 200 mm 的两处各剥离 5 mm 长的聚合物护套。用浸有甲醇的洁净室擦拭纸清洁两处机械剥离的区域。将这两处剥离区域之间的光纤部分浸入丙酮中。静置 10 - 15 分钟，直至光纤护套完全分离。将光纤从丙酮中取出，并用浸有甲醇的洁净室擦拭纸彻底清洁所有已剥离的部分。
- 将已剥离的光纤放置在光学纳米光纤制备设备（ONME）的两个夹持台上，以制备纳米光纤。
- 将探针激光注入光纤，并使用光电二极管监测透射光，通过 ADC 卡在计算机中记录透射数据。启动 ONME 软件控制的气体流动并点燃火焰。在 ONME 软件中加载预先优化的参数，用于制备腰径为 500 nm 的锥形光纤，并开始制备过程。
注意：ONME 是一种 commercially available 设备，专为采用标准热拉法制造锥形光纤而设计。该设备使用氢氧火焰加热光纤，并通过两个电动位移台进行拉伸。气体流量和位移台运动均由计算机程序控制。预先优化的参数可应特殊要求向供应商获取。
- 将探针激光注入光纤，并使用光电二极管监测透射光，通过 ADC 卡在计算机中记录透射数据。启动 ONME 软件控制的气体流动并点燃火焰。在 ONME 软件中加载预先优化的参数，用于制备腰径为 500 nm 的锥形光纤，并开始制备过程。
- 制备完成后，使用紫外固化环氧树脂将锥形光纤固定在纳米光纤支架上。用带有玻璃板的上盖（如
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结果
图2展示了所制备纳米纤维样品典型区域的扫描电镜图像。图像显示，在纳米纤维的阴影侧形成了周期性纳米凹坑，其周期为350 nm，与干涉图案高度吻合。插图为样品的放大视图。纳米凹坑的形状几乎呈圆形，典型纳米凹坑的直径约为210 nm。
图3a展示了渐变型光子晶体微腔的制备结果。图中显示了不同制备角度（θ）和脉冲能量下，纳米凹坑阵列的典型轮廓及其对应的纳米光纤直径。圆圈表示纳米凹坑的直径，方块表示对应的纳米光纤直径。线条为对轮廓数据的高斯拟合结果。黑色和绿色数据分别对应于以θ = 0°、脉冲能量为0.35 mJ和0.17 mJ制备的样品；红色和蓝色数据分别对应于以θ = 0.5°、脉冲能量为0.35 mJ和0.27 mJ制备的样品。可以看出，在纳米光纤上长度约为2–3 mm的区域内形成了纳米凹坑，且该区域的纳米光纤直径保持均匀。纳米凹坑直径呈现出与飞秒激光束高斯强度分布相对应的渐变特性。显然，.......
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讨论
纳米光纤的透镜效应在制备技术中起着重要作用，从而在纳米光纤的阴影面形成纳米级凹坑（如图2所示）。纳米光纤的透镜效应还使得制备过程对横向（Y轴方向）的任何机械不稳定性具有较强的抗干扰能力。此外，由于采用单次辐照，其他轴向的不稳定性也不会影响制备过程，因为辐照时间仅为120 fs（即脉冲宽度）。因此，即使未采取任何特殊措施来抑制机械振动，也能在整个数千个周期范围内制备出具有明确定义周期性的周期性纳米结构。
许多纳米加工技术，如聚焦离子束（FIB）刻蚀、电子束光刻甚至飞秒激光烧蚀，均采用逐点加工方式。逐点加工适用于刚性样品，因为其机械稳定性可以得到保障。对于光学纳米光纤而言，如果将拉锥后的光纤悬空放置而不接触任何刚性基底，则机械不稳定性会影响加工过程。另一方面，若将纳米光纤置于刚性基底上，则可能因基底自身污染或基底被刻蚀而引入污染物，从而降低光学质量。特别是对于聚焦离子束刻蚀技术，还存在额外的缺点，包括由于纳米光纤带电效应引起的机械不稳定性，以及离子束自身污染导致的材料改性。因此，本文所介绍的在纳米光纤上进行单次曝光光学加工的方案相较于.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由日本科学技术振兴机构（JST）通过战略性创新计划资助。KPN 感谢日本学术振兴会（JSPS）科研资助项目（资助编号 15H05462）的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 飞秒激光器 | Coherent Inc. | Libra HE | |
| 相位掩模 | Ibsen Photonics | 定制 | |
| 光学纳米光纤制造设备 | Ishihara Sangyo | ONME | |
| ADC采集卡 | PicoTech | ADC-24 | |
| 单模光纤 | Fujikura | FutureGuide-SM | |
| 宽带光源 | NKT Photonics | SuperK EXTREME | |
| 连续可调谐激光器 | Coherent Inc. | MBR-110 | |
| 光谱分析仪（透射光谱） | Thermo Fisher Scientific | Nicolet 8700 | |
| 光谱分析仪（反射光谱） | Ocean Optics | QE65000 | |
| CCD相机 | Thorlabs | DCC1545M | |
| 功率计 | Thorlabs | D3MM | |
| Pt镀膜仪 | Vacuum Device Inc. | MSP-1S | |
| 扫描电子显微镜 | Keyence | VE-9800 | |
| 紫外固化环氧树脂 | NTT-AT | AT8105 | |
| 光电二极管 | ThorLabs | PDA 36A-EC | |
| 无尘擦拭布 | TExWipe | TX-404 | |
| 光纤涂覆层剥离器 | NTT-AT | Fiber nippers 250 μm | |
| 盖玻片 | Matsunami Glass IND,LTD | NEO micro cover glass 0.12-0.17 mm | |
| 压电陶瓷（PZT） | NOLIAC | NAC 2011-H20 | |
| 柱面透镜调节平台 | NewPort | M-481-A | |
| Y、Z轴位移台 | Chuo Precision Industrial Co., LTD. | LD-149-C7 | |
| 旋转位移台 | SIGMA KOKI | KSPB-1026MH | |
| Z轴位移台(1)、Z轴位移台(2) | NewPort | M-460P |
参考文献
- Painter, O. J., et al. Two-Dimensional Photonic Band-Gap Defect Mode Laser. Science. 284, 1819-1821 (1999).
- Loncar, M., Scherer, A., Qiu, Y. Photonic crystal laser sources for chemical detection. Appl. Phys. Lett. 82, 4648(2003).
- Tanabe, T., Notomi, M., Mitsugi, S., Shinya, A., Kuramochi, E.
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重印与许可
