作者:Gilberto Brambilla 来源:《激光世界》 iivuH2/~?[
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近几年,纳米科学和纳米技术引起了人们的极大兴趣,这是因为当材料以纳米尺度构造时会表现出一些新奇的特性。在过去的二十年中,人们采用广泛的技术已经用多种多样的材料构造出了纳米丝和亚波长丝,这些技术包括电子束刻蚀、激光消融、模板法、气相-液相-固相技术、物理或化学气相沉积和溶胶-凝胶法。 +D|y))fE
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尽管以前利用二氧化硅曾经制造出过光学纳米丝,但它们大多数沿长度方向都具有不规则的形状。表面粗糙和长度方向的不均匀性似乎限制了本应很容易达到的损耗水平,从而也限制了它们在光学上的应用。 CW>f;
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纳米丝也可以通过光纤拉制而成,这个过程可以实现非常低的表面粗糙度和很高的均匀性。这些纳米丝的低光学损耗为大量新兴光学器件在通信、传感、生物以及化学领域的应用开辟了新道路。 o
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光纤纳米丝由光纤通过绝热拉伸而成,并在输入和输出端保持原来的光纤尺寸,以便于与标准的光纤和光纤器件连接。这些光纤尾纤具有宏观尺寸,因此不需要应用于纳米范畴的昂贵仪器就可以对单根纳米丝进行操作。 n0#HPI"
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火焰烧蚀法 N<ww&GXBX
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在过去的四年中,由光纤制造的纳米丝技术已经建立了一种可靠的生产方法来获得足够低的损耗,以满足光纤器件的应用需求。一种叫做“火焰烧蚀”的技术可以制造具有最低测量损耗的最长、最均匀的纳米丝。火焰烧蚀技术开发的初衷是用于制造光纤锥和耦合器,其制造过程是让一小团火焰在一段被拉伸的光纤下面移动,通过控制火焰的移动和光纤的拉伸,能够以极高的精度确定光纤锥的形状。 `i0RLGze
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尽管采用这种技术可以很容易获得直径在1μm范围内的光纤锥,但是制造半径为30nm的纳米丝却是一个很大的挑战,并且需要对处理温度和纳米丝周围的气流进行精确地控制。南安普敦大学的研究人员已经利用火焰烧蚀技术制造出由光纤拉制的迄今为止损耗最低、长度最长的纳米丝。由这种技术制造出的纳米丝具有极好的均匀性,纳米丝的长度是直径波动的数百万倍。目前已经制造出长度大于100mm的纳米丝,测量的光学损耗低至1dB/m。 SEQ
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独特属性 RrSo`q-h+
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光学纳米丝具有很多光学特性和机械特性。首先,它们具有极好的柔韧性,并且由于纳米丝的机械强度较高,因此它们可以很容易地被操做和弯曲。虽然通信光纤在弯曲半径小于10mm时就会产生相当大的光学损耗,但光学纳米丝可以做到在数微米的弯曲半径下仍具有相对较低的诱导损耗,因此可以实现几何形状复杂的高度紧凑器件。其次,它们具有较大的瞬逝场,与所有的光都被限制在纤芯/包层的玻璃结构中不同,在光学纳米丝中透射功率的相当一部分可以在纳米丝物理边界以外的瞬逝场中传输。最后,它们具有较高的非线性系数。非线性过程很大程度上依赖于光强,可以通过高功率光源或小波导来增大光强。与传统通信光纤相比,光学纳米丝中的光束可以在较长的器件长度上被限制到比过去小100倍的区域中,此可以在相对适中的功率水平上观测到非线性相互作用,例如超连续光谱产生。 +^hFs7je)
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在这些特性中,大瞬逝场当然是实现传感器和器件最吸引人的特性。在亚微米区域,光纤的直径比在其中传输的光波长还要小;由于衍射,光不可能被限制在光纤中。相当一部分光功率在光纤物理边界的外部传输;当光纤半径接近100nm时,波长为1.55祄的光就会在很大程度上发生衍射,其光斑尺寸比光纤的物理尺寸大100倍。换句话说,99%以上的光功率都在光纤的外部传输。 :|xV}
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因为瞬逝场存在于周围介质中,因此它可以用作化学传感器。直接将其镀上钯膜可以得到一个具有快速响应时间(小于10s)的卓越的氢传感器。尽管如此,相互作用长度仍受限于光学纳米丝的长度,其长度一般为几个毫米。把光学纳米丝本身缠绕起来,光就会限制在微线圈中,并且可以在到达输出尾纤之前环绕几千圈。这个特性扩展了器件的有效长度,因此使其与被测的化学成分的相互作用长度要长得多。比如,一个亚毫米直径的简单线圈可以具有超过1m的相互作用长度。与其他遇到非常大的输入/输出耦合问题的高Q值谐振腔相比,微线圈具有易于与其他光纤和光纤耦合器件连接的优点,因为它在尾纤末端具有标准光纤。 jJ86Ch
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化学与生物传感 <