Name: 1-D光子晶体空穴对纳米纤维使用飞秒激光诱导消融制造 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-25T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 2 s
Description: 了解使用飞秒激光诱导消融技术在锥形纳米光纤上制造一维光子晶体空穴的方法。该技术对机械扰动免疫，可为纳米光子学和量子信息科学开辟新应用前景。

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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。

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
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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（如图 1a所示）盖住纳米光纤支架。将样品放入洁净盒中，并转移至飞秒激光加工单元。</li>
</ol>
2. 飞秒激光制备
<ol>
	<li>制备装置的校准
	<ol>
		<li>将玻璃片置于加工台面上，高度为15 mm。以1 mJ脉冲能量辐照飞秒激光5秒。通过白光产生以及玻璃片上出现作为损伤线的飞秒激光诱导烧蚀图案，来识别飞秒激光引起的烧蚀现象。</li>
		<li>通过使用加工平台的 X 轴调节玻璃板的高度来重复该步骤。每次加工时，将加工平台的 Y 轴移动 1 mm，以在新的位置进行加工。</li>
		<li>找到产生最强烧蚀线的高度。在此位置，微调其中一个折叠镜的倾斜角度和位置，以最大化烧蚀效果。同时，微调加工平台X轴平移台的倾斜角度，以进一步增强烧蚀。 
		注意：折叠镜的倾斜角度通过运动学镜架的调节旋钮进行调节，镜片位置则通过平移其安装基座上的Z轴位移台进行调节。</li>
		<li>优化完成后，在CCD相机软件中标记消融线的位置，然后移除玻璃板。 
		注意：CCD相机的控制软件可用于捕获图像并在图像上绘制标记，同时支持保存所捕获图像及其标记的数据。由于加工平台的X轴载物台没有绝对位置参考，因此使用CCD图像作为X轴方向的位置参考。CCD图像的分辨率为每像素10 μm。</li>
		<li>使用铂（Pt）镀膜仪对玻璃板镀膜60秒，使铂在玻璃板上沉积形成25 nm厚的薄膜。利用扫描电子显微镜（SEM）观察玻璃板上的烧蚀图案。若烧蚀图案显示出周期为350 nm的周期性结构（即预期的干涉条纹图案），则表明光路已优化对准。否则，重复该步骤（从2.1.1步开始）&#160;2.1.4）对于较低的脉冲能量（低至 300 μJ），持续操作直至观察到周期性烧蚀图案。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>非均匀光子晶体腔的制备
	<ol>
		<li>将锥形光纤放置在制备工作台上，大致与CCD相机上标记的消融线平行。</li>
		<li>将一束探针激光（功率 = 1 mW）通过锥形光纤，并在CCD相机上观察锥形光纤的散射光。由于纳米光纤区域具有亚波长直径，其散射最强的部分即对应于该区域。</li>
		<li>将加工平台的Z轴平移，使纳米纤维与CCD相机上标记的消融线位置对中。</li>
		<li>关闭探针激光器，使用最小脉冲能量照射飞秒激光器（&#60;10 μJ）。移动Y轴平移台，使纳米纤维与飞秒激光束重叠。通过CCD相机观察纳米纤维被照亮的现象，以确认重叠位置。 
		注意：纳米纤维现已相对于飞秒激光束在 Y 轴和 Z 轴方向上对齐。</li>
		<li>为使纳米纤维沿X轴对齐，移动X轴平移台，使纳米纤维的位置与CCD相机上标记的消融线位置重合。</li>
		<li>移动Y轴平移台，以最大化纳米纤维与飞秒激光的重叠。观察来自纳米纤维的前两级反射光（在顶盖玻璃板上呈现为两个明亮光斑）。在前后移动Y轴平移台时，观察这些反射光斑的移动情况。 
		注意：如果这些光斑向一侧移动，则表示纳米纤维与烧蚀线不平行。此时，应旋转旋转台，使纳米纤维与烧蚀线平行。当两者平行时，反射光斑将呈现为一闪而过的亮光。</li>
		<li>将纳米纤维与消融线对齐平行后，移动Y轴平移台，通过测量飞秒激光耦合进入纳米纤维导模并在锥形光纤末端由光电二极管检测到的散射激光功率，使飞秒激光束与纳米纤维的重叠区域最大化。在实现最大重叠后，将旋转台调整至制备角度 θ = 0.5 deg。 
		注意：为了实现飞秒激光束与纳米光纤之间的最大重叠，应使散射进入纳米光纤导模的飞秒激光光功率达到最大。</li>
		<li>用功率计阻断飞秒激光，并将脉冲能量设置为 0.27 mJ。将飞秒激光器的设置更改为单脉冲辐照模式。 
		注意：在此模式下，仅当按下触发开关时产生单个脉冲，否则无激光输出。
		<ol>
			<li>从激光束路径中移除功率计，并发射单个飞秒激光脉冲。至此，完成制备过程。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>缺陷诱导型光子晶体微腔的制备
	<ol>
		<li>通过观察第2.1节中所述在玻璃板上的烧蚀情况来检查装置的对准情况。找到产生最强烧蚀线的高度后，在激光束到达相位掩模前的中心位置插入一根0.5 mm的铜丝。铜丝应沿Y轴方向（垂直于烧蚀线）。</li>
		<li>在调整铜线沿Z轴位置的同时，观察玻璃板上的消融图案。当消融线条中央出现单一间隙时，固定铜线的位置。</li>
		<li>对准后，按照第2.2节所述步骤在纳米纤维上进行飞秒激光加工。在此加工过程中，将加工角度设置为 θ = 0 deg。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 制备样品的表征
<ol>
	<li>光学特性的测量
	<ol>
		<li>按照图1b所示搭建光学测量装置。将宽带光源耦合入锥形光纤，并使用光谱分析仪测量制作前后锥形光纤的透射和反射光谱。制作完成后，透射光谱将显示出一个对应于所制样品布拉格共振的阻带。</li>
		<li>旋转光纤在线偏振器的调节轮，选择偏振态，并分别采集两个正交偏振方向（X偏振和Y偏振）的光谱。 
		注：对于X偏振（偏振方向沿纳米凹坑方向），阻带将发生蓝移21（向短波长方向移动），且来自纳米光纤的散射更强。因此，应结合光谱和CCD相机的观察来选择偏振态。</li>
		<li>针对其中一种偏振态，使用压电陶瓷（PZT）拉伸锥形光纤，采集其透射光谱（如图1b所示）。以2 μm为步长逐步拉伸锥形光纤，直至最大拉伸长度20 μm（受PZT扫描范围限制）。观察到拉伸锥形光纤会导致布拉格共振发生红移（向长波长方向移动）。根据这些光谱数据，计算单位拉伸长度对应的布拉格共振波长偏移量。</li>
		<li>为分辨腔模并测量绝对腔透射率，使用可调谐连续波（CW）激光光源。将激光耦合入锥形光纤，并使用光电二极管监测透射信号。</li>
		<li>将激光波长设定在Y偏振阻带的红边侧，并调节光纤在线偏振器以最小化透射。通过此方式抑制X偏振分量，仅保留Y偏振。进一步将激光波长调至红边带外，记录在0–20 μm范围内拉伸锥形光纤时的透射变化。
		<ol>
			<li>以0.3 nm为步长，逐步将激光波长调整至蓝边侧，直至覆盖整个阻带范围。利用步骤3.1.3中测得的单位拉伸长度对应的共振偏移数据，重构完整的光谱。 
			注：对于典型样品，当锥形光纤被拉伸20 μm时，阻带（布拉格共振）及其腔模整体红移约2 nm，腔模的典型自由光谱范围为0.05–0.5 nm。在固定输入激光波长的情况下，通过拉伸锥形光纤可至少观测到3–4个腔模。腔模之间的频率间隔由步骤3.1.3中测得的单位拉伸长度对应的共振偏移数据推导得出。以0.3 nm为步长改变激光波长重复测量时，相邻测量之间至少有2–3个连续腔模被重复观测到。通过在重叠测量中对齐这些重复出现的腔模位置，可将多次测量的透射数据叠加，从而重构出完整的光谱。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>采用与步骤3.1.5和3.1.5.1中所述类似的方法，对另一种偏振态进行光谱测量。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对所制样品成像
	<ol>
		<li>将所制样品置于一段2 cm长的金属板上，并使用紫外固化环氧树脂将锥形光纤的两端固定在金属板上。确保样品的辐照面朝向金属板，以便对阴影面进行成像。</li>
		<li>使用Pt镀膜仪对样品镀膜30 s，沉积约10 nm厚的Pt层。将样品放入扫描电子显微镜（SEM）中，在整个制备区域内每隔0.1 mm采集一次样品的SEM图像。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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<li>Nayak, K. P., Hakuta, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photonic+crystal+formation+on+optical+nanofibers+using+femtosecond+laser+ablation+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Photonic crystal formation on optical nanofibers using femtosecond laser ablation technique.</a> Opt. Express. 21, 2480-2490 (2013).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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10,11,12,13,14,15。通过在纳米光纤上集成光子晶体（PhC）微腔结构，可显著增强其上的光与物质相互作用16,17。
此类系统的关键优势在于其光纤一体化技术，可轻松集成到通信网络中。已有研究证实，光信号通过锥形纳米光纤的传输效率可达99.95%18。然而，纳米光纤的传输性能极易受到灰尘和污染的影响。因此，采用传统纳米加工技术在纳米光纤上制备光子晶体结构效果不佳。尽管已有研究通过聚焦离子束（FIB）刻蚀技术在纳米光纤上实现了光学腔的加工19,20，但其光学质量和可重复性仍不够理想。
在本视频方案中，我们介绍了一种 recently demonstrated21,22 的技术，利用飞秒激光烧蚀在纳米光纤上制备光子晶体微腔。该制备过程通过在纳米光纤上形成飞秒激光的双光束干涉图样，并照射单个飞秒激光脉冲来实现。纳米光纤的透镜效应在该技术的可行性中起着重要作用，可在纳米光纤的背光面形成烧蚀坑。对于典型样品，可在直径约为 450 - 550 nm 的纳米光纤上，制备出周期为 350 nm、直径在 1 mm 长度范围内从 50 - 250 nm 逐渐变化的周期性纳米坑。此类位于纳米光纤上的周期性纳米坑构成一维光子晶体（1-D PhC）。我们还介绍了一种控制纳米坑阵列轮廓的方法，以在纳米光纤上制备变迹型和缺陷诱导型光子晶体微腔。
此类纳米加工的一个关键方面是全光学加工，从而能够保持较高的光学质量。此外，该加工仅通过单个飞秒激光脉冲辐照完成，使该技术免受机械不稳定性和其他加工缺陷的影响。同时，这也使得光子晶体纳米光纤腔可以在实验室内自行制备，从而最大限度地降低污染的可能性。本实验方案旨在帮助其他研究人员实施并改进这种新型的纳米加工技术。
图1a展示了制备装置的示意图。有关制备装置的详细信息及对准步骤已在文献21,22中讨论。一束中心波长为400 nm、脉冲宽度为120 fs的飞秒激光入射到相位掩模上。相位掩模将飞秒激光束分为0级和±1级衍射光。使用光束挡板阻断0级光束。折叠反射镜在纳米光纤位置对称地将±1级光束重新合并，形成干涉图样。相位掩模的周期为700 nm，因此干涉图样的周期（ΛG）为350 nm。柱面透镜将飞秒激光束沿纳米光纤方向聚焦。激光束在垂直于纳米光纤方向（Y轴）和沿纳米光纤方向（Z轴）的光斑尺寸分别为60 µm和5.6 mm。锥形光纤固定在一个带有压电致动器（PZT）的夹具上，用于拉伸光纤。顶部覆盖有玻璃板的盖子用于保护纳米光纤免受灰尘污染。带有锥形光纤的夹具固定在配备有平移（XYZ）和旋转（θ）平台的制备平台上。θ平台允许纳米光纤样品在YZ平面内旋转。X平台还可控制XY平面和XZ平面内的倾斜角度。在距离纳米光纤20 cm、XY平面内呈45°&#160;角的位置放置一个CCD相机，用于监测纳米光纤的位置。所有实验均在配备HEPA（高效颗粒物捕集）过滤器的洁净工作台内进行，以实现无尘环境。无尘条件对于维持纳米光纤的传输性能至关重要。
图1b展示了光学测量的示意图。在制备过程中，通过将宽带（波长范围：700 - 900 nm）光纤耦合光源注入锥形光纤，并使用高分辨率光谱分析仪测量透射光和反射光的光谱，对光学特性进行短暂监测。采用可调谐连续波激光光源以准确分辨腔模，并测量腔的绝对透射率。
我们介绍了制备与表征的实验方案。该方案部分分为三个小节：纳米纤维制备、飞秒激光加工以及所制备样品的表征。

<table><tbody><tr><td>飞秒激光器</td><td>Coherent Inc.</td><td>Libra HE</td><td></td></tr><tr><td>相位掩模</td><td>Ibsen Photonics</td><td>定制</td><td></td></tr><tr><td>光学纳米光纤制造设备&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>Ishihara Sangyo</td><td>ONME</td><td></td></tr><tr><td>ADC采集卡</td><td>PicoTech</td><td>ADC-24</td><td></td></tr><tr><td>单模光纤</td><td>Fujikura</td><td>FutureGuide-SM</td><td></td></tr><tr><td>宽带光源</td><td>NKT Photonics</td><td>SuperK EXTREME</td><td></td></tr><tr><td>连续可调谐激光器</td><td>Coherent Inc.</td><td>MBR-110</td><td></td></tr><tr><td>光谱分析仪（透射光谱）</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>Nicolet 8700</td><td></td></tr><tr><td>光谱分析仪（反射光谱）</td><td>Ocean Optics</td><td>QE65000</td><td></td></tr><tr><td>CCD相机</td><td>Thorlabs</td><td>DCC1545M</td><td></td></tr><tr><td>功率计</td><td>Thorlabs</td><td>D3MM</td><td></td></tr><tr><td>Pt镀膜仪</td><td>Vacuum Device Inc.</td><td>MSP-1S</td><td></td></tr><tr><td>扫描电子显微镜</td><td>Keyence</td><td>VE-9800</td><td></td></tr><tr><td>紫外固化环氧树脂</td><td>NTT-AT</td><td>AT8105</td><td></td></tr><tr><td>光电二极管</td><td>ThorLabs</td><td>PDA 36A-EC</td><td></td></tr><tr><td>无尘擦拭布</td><td>TExWipe</td><td>TX-404</td><td></td></tr><tr><td>光纤涂覆层剥离器</td><td>NTT-AT</td><td>Fiber nippers 250 &amp;mu;m&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>盖玻片</td><td>Matsunami Glass IND,LTD</td><td>NEO micro cover glass 0.12-0.17 mm&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>压电陶瓷（PZT）</td><td>NOLIAC</td><td>NAC 2011-H20</td><td></td></tr><tr><td>柱面透镜调节平台</td><td>NewPort</td><td>M-481-A&amp;nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Y、Z轴位移台</td><td>Chuo Precision Industrial Co., LTD.</td><td>LD-149-C7</td><td></td></tr><tr><td>旋转位移台</td><td>SIGMA KOKI</td><td>KSPB-1026MH</td><td></td></tr><tr><td>Z轴位移台(1)、Z轴位移台(2)</td><td>NewPort</td><td>M-460P&amp;nbsp;</td><td></td></tr></tbody></table>

利用飞秒激光烧蚀技术在纳米光纤上制备一维光子晶体微腔

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

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。

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，典型凹坑的直径约为210 nm。
图3a展示了非均匀光子晶体腔的制备结果。图中显示了在不同制备角度（θ）和脉冲能量下，沿纳米光纤分布的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。黑色和绿色所示数据对应于以θ = 0°、脉冲能量分别为0.35 mJ和0.17 mJ制备的样品；红色和蓝色所示数据对应于以θ = 0.5°、脉冲能量分别为0.35 mJ和0.27 mJ制备的样品。可以看出，纳米凹坑沿直径均匀的纳米光纤长度方向分布约2–3 mm。观察到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非均匀化分布。显然，在...

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。

我们提出一种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）微腔的实验方案，采用……

本实验的总体目标是演示如何在锥形光纤的亚波长直径腰部上光学制备一维光子晶体微腔。本方法的关键在于制造数千个经验性纳米刻蚀点，或称为纳米光纤，但实际仅需使用单一激光束，所形成的纳米结构最终构成一维光子晶体微腔，这可能为纳米光子学与量子信息科学开辟新的可能性。本研究的一个关键方面在于，纳米光纤自身起到柱面透镜的作用，将激光束聚焦于其侧表面。此外，该制造工艺使其免于受到任何机械不稳定性或其它制造缺陷的影响。语音朗读由本实验室的研究生 Jameesh Keloth 完成。用于制造的纳米纤维将使用商用设备制备。利用该喷嘴产生的氢氧火焰加热光纤。通过电机驱动的位移平台牵拉光纤，形成锥形部分。计算机通过探测激光器和光电二极管的输入信号，实时监测光纤中的光传输情况。纳米光纤将由一段长约210毫米的单模最优光纤制成。制备纳米光纤还需要其他设备。开始前，需准备好光纤涂覆剥离器、甲醇源以及洁净室擦拭纸。此外，准备一个盛有丙酮的容器，用于浸没单模光纤。为防止灰尘聚集在纳米光纤上，需做好快速隔离的准备。在本实验中，将使用紫外固化环氧树脂将纳米光纤固定在该纳米光纤支架中。可以使用玻璃板制成的顶盖将支架闭合。取一段单模光纤，用光纤涂覆层剥离器从光纤两端各去除5毫米的聚合物护套。将无尘布蘸取甲醇后，擦拭光纤端面进行清洁。接下来，将光纤两端之间的部分浸入丙酮储液中，保持 10 至 15 分钟，直至光纤护套脱落。当光纤护套脱落后，将光纤从丙酮中取出，并用蘸有甲醇的洁净室擦拭纸清洁整根光纤。接下来，将光纤移至商用纳米光纤设备。该光纤已安装在电机驱动装置上，准备开始制备。关闭设备并启动探针激光器以监测透射情况。使用软件点燃火焰，加载参数并开始制备。制备完成后，将带有环氧树脂的纳米纤维支架移至设备处。使用紫外固化环氧树脂在锥形区域两侧固定光纤。纤维放置到位后，用顶盖盖住纳米纤维支架。将样品放入洁净盒中，转移至实验装置。这是飞秒激光加工的装置示意图。它位于带有高效微粒空气（HEPA）过滤器的洁净操作台内。激光束从圆柱形透镜上方进入。纳米光纤支架将放置在用于X、Y、Z三轴平移的载物台上，另有一个用于旋转的载物台。该示意图更清晰地展示了装置结构。激光束穿过柱面透镜后，到达一个周期为 700 纳米的相位掩模。相位掩模将光束分成零级、正一级和负一级。零级光束被阻挡，而正负一级光束经折叠反射镜反射。对称放置的反射镜使得在纳米光纤及其支架处形成干涉图样。光电二极管用于监测光纤中的光信号。使用CCD相机监测纳米光纤的位置。激光加工装置必须进行校准。这需要使用可被激光烧蚀的玻璃板。将玻璃板放置在制备工作台上。通过平移台调节工作台高度至15毫米，然后以1毫焦的脉冲能量用激光照射玻璃5秒。使用CCD相机观察样品板，识别激光诱导的消融现象。在玻璃上可见一条因消融而形成的损伤线。将玻璃的水平位置移动一毫米，以进行新的消融。随后，调节玻璃表面的高度，以在新位置测试消融的强度。使用1毫焦的脉冲能量，再次对玻璃片辐照5秒。然后，评估玻璃片的损伤情况。如同对这块玻璃板所进行的操作一样，调节玻璃的高度并烧蚀新的区域，直至确定出最强的烧蚀线。将载物台调整至对应最强烧蚀线的高度后，微调反射镜和载物台的角度，以进一步最大化烧蚀效果。完成此优化后，进入CCD相机的软件界面。使用软件标记消融线在视野中的位置。取下玻璃板以检测消融的周期性结构。采用扫描电子显微镜对图案进行成像。图案应显示出周期为350纳米的周期性结构。如果不符合，请重复对准步骤。从已对准的制备台开始。准备好已正确制备的锥形光纤及其固定装置。安装光纤固定装置，并将光纤与探针激光器耦合。为实现正确对准，光纤应大致与CCD软件中标记的消融线平行。继续将一束探测激光通过锥形光纤，并使用CCD相机观察散射现象。利用平移台沿光纤长度方向移动光纤，并将其对准烧蚀线中心。此时，使用脉冲能量最低的飞秒激光。在水平面内移动光纤，使其与飞秒激光束重合。然后在垂直面内移动光纤，使其位置与消融线重合。再次在水平面内移动光纤，以最大化其与飞秒激光的重叠程度。在来回移动位移台的同时，观察光纤夹持器顶盖玻璃上由光纤产生的前两级衍射反射光点。如果亮斑沿一条直线移动，则表明纳米光纤与烧蚀线不平行，必须调整旋转台的角度；如果亮斑瞬间同时出现，则表明纳米光纤与烧蚀线平行，无需调整旋转台。当纳米光纤与消融线平行时，关闭探测激光器，并使用光电二极管测量光纤中的光功率。使用平移台在水平面内调节光纤位置。调节的目标是使光电二极管测得的飞秒激光散射光功率达到最大。完成后，使用旋转台将光纤旋转至指定角度。接着，取用功率计阻挡飞秒激光束，并调节脉冲能量，使功率计读数为零点二七毫焦。在将能量计从激光光路中移开之前，先将飞秒激光器设置为单脉冲模式。通过发射单个飞秒激光脉冲完成制备。从已校准的装置开始进行制备。此外，在圆柱透镜上方架设一根导线。这根直径为0.5 mm的铜线由一个支架支撑，支架安装在平移台上，以便将导线定位到激光束中。确保将玻璃板的高度调整至出现最强烧蚀线的位置。然后将金属丝置于激光束中心，并使其垂直于烧蚀线。观察金属丝的投影，尝试将其定位在烧蚀图案的中心。接下来，使用飞秒激光脉冲在玻璃板上生成烧蚀图案。检查玻璃板上的烧蚀图案，观察铜丝是否在其中心位置形成间隙。若未形成间隙，则调整铜丝位置使其居中，并在玻璃板上烧蚀新的区域。重复上述步骤，直至间隙位于消融图案的中心。继续操作前，通过锁定线材的平移平台将其固定到位，然后将玻璃板从制备平台上取下。将装有光纤的光纤夹持器取下，并安装到制备装置中。此处夹持器已就位，光纤已与探针激光器耦合。向光纤中发射一束探针激光脉冲。其位置应大致与CCD软件中记录的消融线平行。在关闭探针前，沿光纤长度方向移动载物台，使纳米光纤位于消融线中心。开启飞秒脉冲，并在垂直于光纤长度方向的水平面内移动光纤，以最大化光纤与飞秒激光脉冲的重叠程度。通过光电二极管测量散射光功率来确认。在最大化重叠后，设定制备角度。随后，使用功率计阻断飞秒激光。然后调节脉冲能量至0.27毫焦，并将飞秒激光器设置为单脉冲模式。从激光光路中移除功率计，发射单个飞秒激光脉冲以完成制备。此扫描电子显微镜图像为所制备纳米光纤样品的典型片段。纳米凹坑形成于纤维的阴影侧。这些纳米凹坑几乎呈圆形，直径约为210纳米。在此样品中，周期性间距为350纳米。该消减边瓣质子晶体腔的透射光谱对应于垂直于纳米陨坑表面偏振的光。光谱显示在约794至799纳米范围内存在一个阻带区，其中透射率仅为百分之几。请将此结果与平行于纳米陨坑表面偏振的光的透射光谱进行比较。它在较长波长范围内（约796至803纳米）也具有一个阻带。两个光谱均显示出对应于腔模的峰。由缺陷诱导的光子晶体腔中相同偏振模式的透射光谱表现出类似的行为。在这些情况下，腔模位于禁带的两侧。需要注意的是，短波长处的腔模间距远大于长波长处的间距。这种单次光学制备方法不受机械不稳定性的影响，可确保器件的高品质，且该制备技术可用于从纳米光纤制造各种纳米光子器件，并可适配于其他纳米制造工艺。

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1-D光子晶体空穴对纳米纤维使用飞秒激光诱导消融制造

我们介绍了使用二氧化碳激光回流技术制备二氧化硅谐振腔的方法，包括自支撑微球和片上微环腔。该回流工艺可消除表面缺陷，从而在两种器件中实现较长的光子寿命。所制得的器件具有极高的品质因数，可应用于从光通信到生物检测等多个领域。...

二氧化硅超高品质因子微谐振器的制备

飞秒激光直写技术常用于在聚合物和玻璃中创建三维（3D）结构。然而，金属的三维微纳加工仍具挑战性。本文介绍一种利用中心波长为800...

一种在三维空间中制备分离银纳米结构的方法

光子晶体慢光波导和腔体已在光子学领域的众多不同应用中被广泛采用。因此，这些器件的制备与表征备受关注。本文概述了我们的制备技术以及两种光学表征方法，即：干涉测量法（用于波导）和共振散射法（用于腔体）。...

光子晶体慢光波导与腔体的制备及表征

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采用脉冲激光沉积法制备纳米工程透明导电氧化物

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用于光学谐振器与激光应用的聚合物微球制备

高强度飞秒激光脉冲可在克尔自聚焦与等离子体散焦之间发生周期性交替，使高强度、亚毫米直径的光束在长距离上传播。本文介绍一种生成和利用这些光丝的技术，用于实现超越传统线性光学衍射极限的远程成像与传感。...

飞秒激光丝在亚衍射极限成像与远程探测中的应用

本文介绍了一种用于多光子显微镜、内窥镜和光医学等潜在应用的定制低成本锁模飞秒光纤激光器的构建方法。该激光器采用市售元器件和基本的光纤熔接技术制成。...

低成本定制化全正色散飞秒光纤激光器的制备及其锁模运行用于多光子显微成像

我们展示了在铌酸锂上通过剥离光刻、纳米深度反应离子刻蚀以及单晶铌酸锂的室温等离子体表面活化多层键合技术，集成表面声波驱动器件以制备纳米高度通道的方法，该工艺同样适用于铌酸锂与氧化物之间的键合。...

利用铌酸锂表面声波驱动构建纳米高度通道用于声学纳米流控

本方案描述了一种低成本、分立式、光纤耦合且空气间隔的法布里-珀罗标准具的构建方法，可用于痕量气体光谱学等多种应用。只要有标准光学实验室设备，任何实验场所均可完成该器件的制备。...

低成本、光纤耦合及空气间隔法布里-珀罗标准具的制备

液相超快激光烧蚀是一种在液体/空气环境中精确且多功能的纳米材料（纳米颗粒[NPs]和纳米结构[NSs]）合成技术。通过激光烧蚀制备的纳米材料可与拉曼活性分子功能化结合，以增强位于纳米结构/纳米颗粒上或附近的分析物的拉曼信号。...

超快激光烧蚀纳米颗粒与纳米结构在表面增强拉曼散射传感应用中的研究

了解使用飞秒激光诱导消融技术在锥形纳米光纤上制造一维光子晶体空穴的方法。该技术对机械扰动免疫，可为纳米光子学和量子信息科学开辟新应用前景。

利用飞秒激光烧蚀技术在纳米光纤上制备一维光子晶体微腔

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