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由于具有很大的瞬逝場和很高的光學(xué)非線性系數(shù)，由光纖拉制而成的納米光纖非常適合于光學(xué)傳感和其他器件。其標(biāo)準(zhǔn)尺寸的光纖端頭可以很容易地實現(xiàn)光的輸入輸出耦合。
作者：Gilberto Brambilla
圖1. 通過掃描電子
顯微照片顯示了由
標(biāo)準(zhǔn)通信光纖制造
的半徑為30nm和
50nm的兩根納米絲。
近幾年，納米科學(xué)和納米技術(shù)引起了人們的極大興趣，這是因為當(dāng)材料以納米尺度構(gòu)造時會表現(xiàn)出一些新奇的特性。在過去的二十年中，人們采用廣泛的技術(shù)已經(jīng)用多種多樣的材料構(gòu)造出了納米絲和亞波長絲，這些技術(shù)包括電子束刻蝕、激光消融、模板法、氣相-液相-固相技術(shù)、物理或化學(xué)氣相沉積和溶膠-凝膠法。
盡管以前利用二氧化硅曾經(jīng)制造出過光學(xué)納米絲，但它們大多數(shù)沿長度方向都具有不規(guī)則的形狀。表面粗糙和長度方向的不均勻性似乎限制了本應(yīng)很容易達(dá)到的損耗水平，從而也限制了它們在光學(xué)上的應(yīng)用。
納米絲也可以通過光纖拉制而成，這個過程可以實現(xiàn)非常低的表面粗糙度和很高的均勻性。這些納米絲的低光學(xué)損耗為大量新興光學(xué)器件在通信、傳感、生物以及化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新道路。
光纖納米絲由光纖通過絕熱拉伸而成，并在輸入和輸出端保持原來的光纖尺寸，以便于與標(biāo)準(zhǔn)的光纖和光纖器件連接。這些光纖尾纖具有宏觀尺寸，因此不需要應(yīng)用于納米范疇的昂貴儀器就可以對單根納米絲進(jìn)行操作。
火焰燒蝕法
圖2. 光學(xué)納米絲
可以同時具有極小
的彎曲半徑和可以
忽略的光學(xué)損耗；
在上面所示的微線
圈諧振腔中，彎曲
半徑大約是45祄，
這比傳統(tǒng)通信光纖
可能達(dá)到的彎曲半
徑小近千倍。
在過去的四年中，由光纖制造的納米絲技術(shù)已經(jīng)建立了一種可靠的生產(chǎn)方法來獲得足夠低的損耗，以滿足光纖器件的應(yīng)用需求。一種叫做“火焰燒蝕”的技術(shù)可以制造具有最低測量損耗的最長、最均勻的納米絲。火焰燒蝕技術(shù)開發(fā)的初衷是用于制造光纖錐和耦合器，其制造過程是讓一小團(tuán)火焰在一段被拉伸的光纖下面移動，通過控制火焰的移動和光纖的拉伸，能夠以極高的精度確定光纖錐的形狀。
盡管采用這種技術(shù)可以很容易獲得直徑在1μm范圍內(nèi)的光纖錐，但是制造半徑為30nm的納米絲卻是一個很大的挑戰(zhàn)，并且需要對處理溫度和納米絲周圍的氣流進(jìn)行精確地控制。南安普敦大學(xué)的研究人員已經(jīng)利用火焰燒蝕技術(shù)制造出由光纖拉制的迄今為止損耗最低、長度最長的納米絲。由這種技術(shù)制造出的納米絲具有極好的均勻性，納米絲的長度是直徑波動的數(shù)百萬倍。目前已經(jīng)制造出長度大于100mm的納米絲，測量的光學(xué)損耗低至1dB/m。
獨特屬性
光學(xué)納米絲具有很多光學(xué)特性和機(jī)械特性。首先，它們具有極好的柔韌性，并且由于納米絲的機(jī)械強(qiáng)度較高，因此它們可以很容易地被操做和彎曲。雖然通信光纖在彎曲半徑小于10mm時就會產(chǎn)生相當(dāng)大的光學(xué)損耗，但光學(xué)納米絲可以做到在數(shù)微米的彎曲半徑下仍具有相對較低的誘導(dǎo)損耗，因此可以實現(xiàn)幾何形狀復(fù)雜的高度緊湊器件（如圖2）。其次，它們具有較大的瞬逝場，與所有的光都被限制在纖芯/包層的玻璃結(jié)構(gòu)中不同，在光學(xué)納米絲中透射功率的相當(dāng)一部分可以在納米絲物理邊界以外的瞬逝場中傳輸。最后，它們具有較高的非線性系數(shù)。非線性過程很大程度上依賴于光強(qiáng)，可以通過高功率光源或小波導(dǎo)來增大光強(qiáng)。與傳統(tǒng)通信光纖相比，光學(xué)納米絲中的光束可以在較長的器件長度上被限制到比過去小100倍的區(qū)域中， 此可以在相對適中的功率水平上觀測到非線性相互作用，例如超連續(xù)光譜產(chǎn)生。
圖3. 在傳統(tǒng)的石英
光纖中，光束束腰
隨著光纖直徑的減
小而減小，直到達(dá)
到一個最小值然后
再次增加。對于亞
微米半徑的光纖而
言，光束束腰可以
比光纖半徑大幾百倍
在這些特性中，大瞬逝場當(dāng)然是實現(xiàn)傳感器和器件最吸引人的特性。在亞微米區(qū)域，光纖的直徑比在其中傳輸?shù)墓獠ㄩL還要�。挥捎谘苌�，光不可能被限制在光纖中。相當(dāng)一部分光功率在光纖物理邊界的外部傳輸；當(dāng)光纖半徑接近100nm時，波長為1.55祄的光就會在很大程度上發(fā)生衍射，其光斑尺寸比光纖的物理尺寸大100倍（如圖3）。換句話說，99%以上的光功率都在光纖的外部傳輸。
因為瞬逝場存在于周圍介質(zhì)中，因此它可以用作化學(xué)傳感器。直接將其鍍上鈀膜可以得到一個具有快速響應(yīng)時間（小于10s）的卓越的氫傳感器。盡管如此，相互作用長度仍受限于光學(xué)納米絲的長度，其長度一般為幾個毫米。把光學(xué)納米絲本身纏繞起來，光就會限制在微線圈中，并且可以在到達(dá)輸出尾纖之前環(huán)繞幾千圈。這個特性擴(kuò)展了器件的有效長度，因此使其與被測的化學(xué)成分的相互作用長度要長得多。比如，一個亞毫米直徑的簡單線圈可以具有超過1m的相互作用長度。與其他遇到非常大的輸入/輸出耦合問題的高Q值諧振腔相比，微線圈具有易于與其他光纖和光纖耦合器件連接的優(yōu)點，因為它在尾纖末端具有標(biāo)準(zhǔn)光纖。
圖4. 在光學(xué)納米絲
傳感器中，被分析
物在一個垂直通道
中流動并與納米絲
的瞬逝場發(fā)生相互
作用。被分析物的
濃度由光纖輸出光
強(qiáng)的變化來探測。
化學(xué)與生物傳感
由于光纖微線圈諧振腔具有很窄的諧振頻率，從而可用于制造窄帶濾波器和高靈敏度折射傳感器，這引起了人們的極大興趣。折射傳感器是化學(xué)與生物傳感器，它們通過測定折射率的變化來測量特定化學(xué)/生物混合物的濃度。在這些傳感器中，高Q因數(shù)（或窄帶寬）意味著較低的探測極限（被分析物的最低可探測量），大瞬逝場帶來高靈敏度（折射率的單位變化導(dǎo)致諧振波長的漂移）。對于這種類型的傳感器，小尺寸、高靈敏度和低探測極限是最為重要的指標(biāo)。
光學(xué)納米絲非常適合于嵌入到低折射率材料中應(yīng)用（見圖4）。諧振腔線圈內(nèi)部的大部分區(qū)域是空的，這形成了一個固有的流體通道將樣品運(yùn)送至傳感器（不像大多數(shù)環(huán)形或微球形諧振腔），因此還需要一個附加通道。把光學(xué)納米絲纏繞在一個可隨意改變的棒上，然后涂上一層低折射率聚合物，再將棒移走就可以很容易地制成納米絲微線圈傳感器。不同的光學(xué)納米絲尺寸和涂敷厚度，使這種傳感器具有不同的靈敏度。測量結(jié)果顯示，對于200nm的納米絲尺寸和數(shù)十納米的涂敷層厚度，探測極限可以低至10-7，這意味著它可以在一千萬個溶劑分子中檢測出一個被分析物分子。這比以前提出的任何一種傳感器的靈敏度高10倍以上。
光學(xué)操縱
操縱納米絲表面的細(xì)胞和其他粒子是得益于大瞬逝場的另一個應(yīng)用。研究表明，光梯度對于利用光鑷捕獲粒子極為有用。近年來，由于同時對大量粒子進(jìn)行連續(xù)操縱成為可能，因此表面光學(xué)操縱引起了人們的極大興趣。這項技術(shù)
圖5. 間隔為1秒拍攝
的顯微照片顯示了沿
著光學(xué)納米絲推進(jìn)的
直徑為3祄的微球體。
俘獲在納米絲表面的
粒子（a，b，c）由
納米絲的瞬逝場推進(jìn)，
平均移動速度為9祄
/s，其光功率為幾百
毫瓦。
在無菌環(huán)境中對大量細(xì)胞進(jìn)行分類具有獨特優(yōu)勢，而這在生物醫(yī)學(xué)研究中是經(jīng)常要用到的。
在過去的幾年中，已經(jīng)報道了沿著由玻璃或氮化硅制成的波導(dǎo)方向推進(jìn)粒子。然而，由于平面波導(dǎo)的固有特性，它們被局限于二維，只有小部分光在波導(dǎo)外部傳輸，并存在較高的插入損耗。光學(xué)納米絲具有瞬逝場更大、三維靈活度以及插入和提取損耗低的優(yōu)點（如圖5）。
光學(xué)推進(jìn)可以解釋為多種光學(xué)力的結(jié)果：梯度力驅(qū)動粒子形成強(qiáng)度梯度并把它們鎖定在波導(dǎo)上，同時吸收和散射力在場傳播方向上加速粒子移動。周圍介質(zhì)的粘滯阻力與推進(jìn)力方向相反，限制了粒子的持續(xù)加速。粒子受到的光學(xué)力與它們表面的光強(qiáng)成正比。因此，光學(xué)納米絲的大瞬逝場和良好的光源-波導(dǎo)耦合使之成為一個用于對粒子、細(xì)胞和生物分子進(jìn)行操縱與分類的卓越工具。
