一種磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具體為：磨錐光纖外部鑲套一錐形套管，所述錐形套管由包圍磨錐光纖外壁的套管壁和聚焦圓臺(tái)一體形成；所述聚焦圓臺(tái)內(nèi)部開(kāi)有一圓臺(tái)型空腔；所述圓臺(tái)型空腔的下底面的直徑、套管壁的內(nèi)徑均與磨錐光纖的外徑相同；圓臺(tái)型空腔與聚焦圓臺(tái)的頂面直徑和錐角均相同。本發(fā)明具有聚焦光斑小、焦深長(zhǎng)、通光效率高、與光纖集成、可靈活更換套管以達(dá)到不同聚焦效果的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種在磨錐光纖上結(jié)合錐形套管實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦深亞波長(zhǎng)聚焦的結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]亞波長(zhǎng)聚焦一直是光學(xué)研究人員和相關(guān)工業(yè)界工程師最為關(guān)注的方向之一，也是近幾十年來(lái)研究的熱點(diǎn)。目前隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光學(xué)空間分辨率提出了越來(lái)越高的要求。
[0003]光斑尺寸小于波長(zhǎng)的聚焦光束在納米微粒運(yùn)動(dòng)操作和控制，尤其是生物組織甚至器官的三維打印技術(shù)，三維光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，光刻技術(shù)，材料加工，生物醫(yī)學(xué)成像，拉曼光譜技術(shù)，二次諧波激發(fā)，近場(chǎng)掃描和激光共焦顯微技術(shù)中都具有至關(guān)重要的應(yīng)用價(jià)值。舉例來(lái)說(shuō)，在光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，小光斑可以提高存儲(chǔ)密度和存儲(chǔ)容量；在納米操作和控制中，高度聚焦光斑可以增加梯度力或旋轉(zhuǎn)力矩；在生物醫(yī)學(xué)成像中，高度聚焦光斑可以減少背景成像，改善清晰度；在材料加工中，高度聚焦光斑增加了光能利用率，加工速度和加工精度。
[0004]然而在光斑尺寸小于聚波長(zhǎng)時(shí)，原來(lái)的標(biāo)量衍射理論無(wú)法得到焦點(diǎn)附近準(zhǔn)確的廣場(chǎng)分布，必須使用矢量衍射理論，其中Richards和Wolf系統(tǒng)地研究了光束的聚焦問(wèn)題，得至IJ 了矢量衍射積分公式，建立了聚焦問(wèn)題的基本理論框架。在此基礎(chǔ)上，人們獲得了不同橫模激光束如平面波、貝塞爾光束等的聚焦理論模型。
[0005]貝塞爾光束在無(wú)界的自由空問(wèn)中傳播時(shí)，與傳播方向垂直的任一橫向平面上的強(qiáng)度分布總是保持相同，并且能量具有高度局域化；在傳播過(guò)程中不會(huì)遭受到衍射擴(kuò)展，這類波束被稱為“無(wú)衍射波束”。
[0006]根據(jù)平面波的角譜理論，任何空間中傳播的單色光波都可以看成是一系列單色平面波的疊加?；谠摾碚?，MIT的一個(gè)研究小組成功地直接利用非聚焦光波波前的相干疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)聚焦。但其研究只是在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了利用角譜合成理論可以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)聚焦的貝塞爾光束，而并未提供一種高效率光耦合，具有足夠工作距離和聚集深度的實(shí)用性的器件結(jié)構(gòu)。
[0007]此后提出的金屬納米圓環(huán)，以及金屬孔陣列等隙縫型透射合成法都包含有光束功率損耗大，工作距離短的缺陷。
[0008]傳統(tǒng)的錐透鏡(微棱錐microaxicon)可以將高斯光束以非常高的效率轉(zhuǎn)化成近貝塞爾光束，這種透鏡用于亞波長(zhǎng)聚焦的問(wèn)題在于:
1、只有在緊靠透鏡出射面約2 λ的范圍內(nèi)有較好的聚焦，這使其應(yīng)用受到了很大的限制。
[0009]2、聚集后的光束受到錐透鏡的錐表面缺陷的影響而偏離理想的亞波長(zhǎng)聚集能力，通常只能接近亞波長(zhǎng)而沒(méi)有能夠完全進(jìn)入亞波長(zhǎng)區(qū)域。
[0010]而光纖對(duì)激光具有傳輸方便，傳輸效率高，模式耦合穩(wěn)定，使用極為便捷等突出優(yōu)點(diǎn)，而其出射端高質(zhì)量聚焦光束的獲得不僅可使多種亞波長(zhǎng)應(yīng)用提供巨大的導(dǎo)光位置的便利，而且不必受自由空間光學(xué)元件的缺陷制約，如光束由于溫度或機(jī)械裝置變化而偏離理想光軸中心，導(dǎo)致聚集質(zhì)量下降的困擾。由此看出，設(shè)計(jì)一種結(jié)合光纖的新型亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)具有重大應(yīng)用價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)聚焦光斑小，焦深長(zhǎng)，與光纖集成一體，且使用靈活。
[0012]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具體為:磨錐光纖外部鑲套一錐形套管，所述錐形套管由包圍磨錐光纖外壁的套管壁和聚焦圓臺(tái)一體形成；所述聚焦圓臺(tái)內(nèi)部開(kāi)有一圓臺(tái)型空腔；所述圓臺(tái)型空腔的下底面的直徑、套管壁的內(nèi)徑均與磨錐光纖的外徑相同；圓臺(tái)型空腔與聚焦圓臺(tái)的頂面直徑和錐角均相同；其中，磨錐光纖的入射波長(zhǎng)為400?1600 nm，外徑為90~140 um ;錐形套管折射率與磨錐光纖折射率為1.4-1.9，套管壁的外徑D為50~150 um，聚焦圓臺(tái)的高度H1為10~200 um，圓臺(tái)型空腔到聚焦圓臺(tái)頂部的距離H2為10~190 um，聚焦圓臺(tái)的錐角A1為5-60度，磨錐光纖的錐角A2為80~120度。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
(1)本發(fā)明的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可行性高，聚焦光束最細(xì)處FWHM (半高全寬)可達(dá)到 0.4 λ。
[0014](2)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)是與光纖完全集成，使用方便，且通光效率高。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)的光路圖；
圖3為本發(fā)明磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)的聚焦光束半高寬度輪廓圖(沿Ζ傳播，輸出端面在100 um處，X方向經(jīng)過(guò)歸一化)。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于下列實(shí)施例，應(yīng)包含權(quán)利要求書中的全部?jī)?nèi)容，而且本領(lǐng)域的技術(shù)人員從以下的一個(gè)實(shí)施例即可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中的全部?jī)?nèi)容。
[0017]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟如下:
(1)確定磨錐光纖的入射波長(zhǎng)、錐形套管的折射率及結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的錐透鏡可以將高斯光束轉(zhuǎn)化成近貝塞爾光束，這種透鏡用于亞波長(zhǎng)聚焦的問(wèn)題在于，只有在緊靠透鏡出射面約2 λ的范圍內(nèi)有較好的聚焦，這使其應(yīng)用受到了很大的限制。所以本發(fā)明在磨錐光纖上加一個(gè)錐形套管，使聚焦光束在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生，并能在一段較長(zhǎng)的距離內(nèi)保持良好的聚焦效果；
(2)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型，模型參數(shù)包括:套管壁的外徑D，聚焦圓臺(tái)的高度Η1，圓臺(tái)型空腔到聚焦圓臺(tái)頂部的距離Η2，聚焦圓臺(tái)的錐角Anglel，磨錐光纖的錐角Angle2 ；
(3)利用軟件如3D-BPM計(jì)算錐形套管的各模型參數(shù)對(duì)聚焦光束的FWHM、能量的影響；
(4)根據(jù)得到的模型參數(shù)與聚焦光束的關(guān)系，確定錐形套管的參數(shù)范圍以實(shí)現(xiàn)較為理想的亞波長(zhǎng)聚焦。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明一種磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具體為--磨錐光纖外部鑲套一錐形套管，所述錐形套管由包圍磨錐光纖外壁的套管壁和聚焦圓臺(tái)一體形成；所述聚焦圓臺(tái)內(nèi)部開(kāi)有一圓臺(tái)型空腔；所述圓臺(tái)型空腔的下底面的直徑、套管壁的內(nèi)徑均與磨錐光纖的外徑相同；圓臺(tái)型空腔與聚焦圓臺(tái)的頂面直徑和錐角均相同。
[0019]其中，磨錐光纖的入射波長(zhǎng)為400?1600 nm，外徑為90~140 um ;錐形套管折射率與磨錐光纖折射率為1.4-1.9，套管壁的外徑D為50~150 um，聚焦圓臺(tái)的高度H1為10~200um,圓臺(tái)型空腔到聚焦圓臺(tái)頂部的距離H2為10~190 um,聚焦圓臺(tái)的錐角A1為5~60度，磨錐光纖的錐角A2為80~120度。
[0020]如圖2所示，磨錐光纖內(nèi)的光束進(jìn)過(guò)磨錐頭后出射形成發(fā)散的環(huán)形光束，大部分光束進(jìn)入聚焦圓臺(tái)，經(jīng)聚焦圓臺(tái)的外壁向內(nèi)反射，最后大部分光束穿過(guò)聚焦圓臺(tái)的頂面重新匯聚形成亞波長(zhǎng)聚焦光束。
[0021]實(shí)施例1
一種磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，具體的設(shè)計(jì)過(guò)程如下:
(1)確定磨錐光纖基本結(jié)構(gòu)，芯層半徑8.3um/折射率1.4675，包層半徑125um/折射率1.4622。
[0022](2)選取磨錐光纖的入射波長(zhǎng)為650nm，套管折射率為1.45。
[0023](3)確定套管壁外徑D=135um，聚焦圓臺(tái)的高度H1為120um，圓臺(tái)型空腔到聚焦圓臺(tái)頂部的距尚H2為lOOum。
[0024](4)確定錐形套管錐角為8.8度，磨錐光纖錐角為90度。
[0025](5)利用步驟(1) (2) (3)所確定的參數(shù)，使用3D-BPM進(jìn)行仿真計(jì)算。
[0026]仿真結(jié)果如圖3所示，在聚焦圓臺(tái)出射面后10~40um范圍內(nèi)，聚焦光束截面上的FWHM為0.36-0.52um,另測(cè)得此區(qū)域聚焦光斑光強(qiáng)均大于入射光強(qiáng)，且聚焦光斑最高光強(qiáng)約為入射光強(qiáng)3.7倍。由此可見(jiàn)，該結(jié)構(gòu)可以在套管出射面后幾十微米的范圍內(nèi)較好地實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)聚焦?？紤]設(shè)計(jì)實(shí)際與光纖結(jié)合，則該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光纖上的亞波長(zhǎng)聚焦。
[0027](6)利用步驟(5)所確定的參數(shù)，對(duì)光纖進(jìn)行研磨加工，磨制出所需角度的磨錐光纖；對(duì)錐形套管的制作通過(guò)毛細(xì)管加熱拉伸，根據(jù)設(shè)計(jì)選擇截面截?cái)嗖⒀心テ秸?，毛?xì)管在細(xì)端根據(jù)設(shè)計(jì)的圓臺(tái)高度通入定量光刻膠，然后紫外光固化制作而成。最后將錐形套管嵌套入磨錐光纖即可得到所設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)。
[0028]實(shí)施例2
該例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是:套管壁外徑D減少至60um，聚焦圓臺(tái)高度H1減少為50um，圓臺(tái)型空腔到聚焦圓臺(tái)頂部的距離H2減少為40um，其余的錐形套管角度、磨錐光纖角度不變。此時(shí)在聚焦圓臺(tái)出射面后5~40um范圍內(nèi)，聚焦光束截面上的FWHM為0.34-0.49um，另測(cè)得此區(qū)域聚焦光斑光強(qiáng)均大于入射光強(qiáng)，且聚焦光斑最高光強(qiáng)約為入射光強(qiáng)5倍，即該參數(shù)的套管結(jié)合光纖也可實(shí)現(xiàn)的亞波長(zhǎng)聚焦。
[0029]實(shí)施例3
該例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是:磨錐光纖錐角改為102.7度，其余的套管尺寸不變。此時(shí)在聚焦圓臺(tái)出射面后10~40um范圍內(nèi)，聚焦光束截面上的FWHM從0.32um變化到0.45um,另測(cè)得此區(qū)域聚焦光斑光強(qiáng)均大于入射光強(qiáng)，且最高光強(qiáng)約為入射光強(qiáng)5.3倍，即該參數(shù)的套管結(jié)合光纖也可實(shí)現(xiàn)的亞波長(zhǎng)聚焦。
[0030]實(shí)施例4
該例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是:錐形套管錐角改為30.4度，其余的套管壁外徑、圓臺(tái)型空腔到聚焦圓臺(tái)頂部的距離、、聚焦圓臺(tái)高度、磨錐光纖角度保持不變。此時(shí)在套管出射面后5~35um范圍內(nèi)，聚焦光束截面上的FWHM從0.35um變化到0.43um,另測(cè)得此區(qū)域聚焦光斑光強(qiáng)均大于入射光強(qiáng)，且聚焦光斑最高光強(qiáng)約為入射光強(qiáng)3.7倍，即該參數(shù)的套管結(jié)合光纖也可實(shí)現(xiàn)的亞波長(zhǎng)聚焦。
[0031]實(shí)施例5
該例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)是:錐形套管折射率改為1.86，磨錐光纖入射波長(zhǎng)改為1.25um，其余的套管壁外徑、聚焦圓臺(tái)高度、圓臺(tái)型空腔到聚焦圓臺(tái)頂部的距離、磨錐光纖錐角保持不變。此時(shí)在聚焦圓臺(tái)出射面后20~50um范圍內(nèi)，聚焦光束截面上的FWHM從0.62um變化到0.72um,另測(cè)得此區(qū)域聚焦光斑光強(qiáng)均大于入射光強(qiáng)，且聚焦光斑最高光強(qiáng)約為入射光強(qiáng)3.3倍，即該參數(shù)的套管結(jié)合光纖也可實(shí)現(xiàn)的亞波長(zhǎng)聚焦。
【權(quán)利要求】
1.一種磨錐光纖結(jié)合套管的亞波長(zhǎng)聚焦結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)具體為:磨錐光纖外部鑲套一錐形套管，所述錐形套管由包圍磨錐光纖外壁的套管壁和聚焦圓臺(tái)一體形成；所述聚焦圓臺(tái)內(nèi)部開(kāi)有一圓臺(tái)型空腔；所述圓臺(tái)型空腔的下底面的直徑、套管壁的內(nèi)徑均與磨錐光纖的外徑相同；圓臺(tái)型空腔與聚焦圓臺(tái)的頂面直徑和錐角均相同； 其中，磨錐光纖的入射波長(zhǎng)為400?1600 nm，外徑為90~140 um ;錐形套管折射率與磨錐光纖折射率為1.4~1.9，套管壁的外徑D為50~150 um，聚焦圓臺(tái)的高度H1為10~200um,圓臺(tái)型空腔到聚焦圓臺(tái)頂部的距離H2為10~190 um,聚焦圓臺(tái)的錐角A1為5~60度，磨錐光纖的錐角A2為80~120度。
【文檔編號(hào)】G02B6/32GK104483738SQ201410659239
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】黃河, 吳興坤, 陳施潔, 鄒紅梅, 李晴 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)