本文摘要:由于具有相当大的渐逝场和高的光学非线性系数,因此从光纤引出的纳米纤维最适合光传感和其他设备。

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由于具有相当大的渐逝场和高的光学非线性系数,因此从光纤引出的纳米纤维最适合光传感和其他设备。其标准尺寸的光纤端可以更容易地构建光的输入输出耦合。作者: GilbertoBrambilla图1 .通过扫描电子显微镜照片,给出了由标准通信光纤制造的半径30nm和50nm的两根纳米棒。

近年来,纳米科学和纳米技术引起了人们的兴趣,因为材料在由纳米尺度构成时,显示了一些新奇的特性。过去20年,人们利用普遍的技术,已经用多种材料结构制造出纳米棒和亚波长棒,这些技术包括电子束光刻、激光消融、模板法、气相液相固相技术、物理或化学气相生长以往利用二氧化硅多次生产光学纳米棒,但它们大多在长度方向上具有点状的形状。表面硬度和长度方向的不均匀分布性,可能允许本来难以超过的损失水平,也允许光学应用。纳米棒也可以用光纤引出,可以构筑非常低的表面粗糙度和高的均匀分布性。

这些纳米棒的低光学损耗为大量新兴光学器件在通信、传感、生物及化学领域的应用开辟了新途径。光纤纳米棒在热力学上与光纤断开,为了便于标准光纤与光纤设备的连接,在输出和输入的末端保持原来的光纤尺寸。

这些光纤尾部光纤由于具备宏观尺寸,因此无需适用于纳米类别的廉价设备,可以对一根纳米杆展开操作者。火焰激光法图2 .光学纳米棒可以同时具备大的倾斜半径和可忽略的光学损失。在上右图的微线圈谐振器中,倾斜半径约为45帧,比现有通信光纤可能超过的倾斜半径小近一千倍。

过去四年来,光纤生产的纳米棒技术已经建立了可靠的生产方法,获得了足够低的损失,使光纤器件的应用符合市场的需要。被称为“火焰激光”的技术可以生产比测量损失更低的最长、分布最均匀的纳米棒。火焰激光技术是为了生产光纤的锥形和耦合器而开发的,其生产过程是通过使一些团火焰在切断的光纤下移动,控制火焰的移动和光纤的切断, 如果以极高的精度使用该技术,可以简单地获得直径1m范围内的光纤锥,但生产半径30nm的纳米棒毕竟是相当大的挑战,必须正确地控制处理温度和纳米棒周围的气流南安普敦大学的研究人员已经利用火焰激光技术,生产了由光纤提升的迄今为止损失低、长度最长的纳米棒。该技术生产的纳米棒具有极其均匀的分布性,纳米棒的长度是直径变动的数百万倍。

现在已经生产了长度小于100mm的纳米棒,测定的光学损失很低,为1dB/m。独特属性的光学纳米棒具备很多光学特性和机械特性。

首先,由于柔软性好,纳米杆的机械强度高,所以容易操作和倾斜。通信光纤在倾斜半径超过10mm时不会产生相当大的光学损失,但光学纳米棒在数微米的倾斜半径下也能够具有比较低的感应损失,因此能够构筑几何形状简单的高度且灵活的器件(图2 )。其次,这些具备小渐逝场,与所有的光在芯/包层的玻璃结构中允许的不同,入射到光纳米棒的功率的非常一部分能够在纳米棒物理边界以外的渐逝场传播。

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最后,这些具有很高的非线性系数。非线性过程很大程度上依赖于透射,可以通过高输出光源和小波导减小透射。与现有的通信光纤相比,光纳米棒中的光束在长器件长度上可以允许到比以往小100倍的区域,这可以在比较高的功率水平上观测非线性相互作用,例如超强连续光谱的产生。

图3 .在传统石英光纤中,随着光纤直径的增大,束裙超过最小值再次减少。对于亚微米半径的光纤来说,束裙可以比光纤半径大几百倍。在这些特性中,倏逝场自不必说,是构建传感器和器件时最有人的特性。在亚微米区域,光纤的直径比在其中传播的光波长小。

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散射可能会导致光纤不允许光。非常部分光功率在光纤物理边界的外部传输。在光纤的半径类似于100nm的情况下,波长为1.55帧的光不会以相当大的程度再次散射,其光点尺寸比光纤的物理尺寸大100倍(图3 )。

换言之,99%以上的光功率是在光纤的外部传输的。瞬逝场不存在于周围的介质中,因此可以用于化学传感器。需要将其制成钯镀膜,可以得到响应时间慢(超过10s )的优良的氢传感器。

尽管如此,相互作用的长度被限制为光学纳米棒的长度,其长度一般为几毫米。如果使光纳米杆本身卷曲,光不允许进入微线圈,在到达输入尾纤维之前可以绕数千圈。

这个特性会扩大器件的有效长度,因此会使与测量的化学成分的相互作用长度变长。例如,亚毫米直径非常简单的线圈可以具备最大1m的相互作用长度。与遇到其他非常大的输出/输入耦合问题的高q值谐振器相比,微线圈具有容易连接其他光纤和光纤耦合器件的优点。

这是因为尾光纤的末端配备了标准光纤。图4 .在光纳米棒传感器中,被分析物在横向地下通道中流动,与纳米棒的渐逝场再次相互作用。被分析物的浓度是从光纤输入透过的变化中观测到的。化学和生物传感由于光纤微线圈谐振器具有广泛的谐振频率,因此可以用于窄带滤波器和高灵敏度反射传感器的生产,引起了人们的关注。

反射传感器是通过测量折射率的变化来测量特定的化学生物混合物的浓度的化学生物传感器。这些传感器中,低q因数(或宽比特率)是指著低的观测无限大(低于被分析物的测定值),渐逝场带来高灵敏度(折射率单位变化引起的共振波长的波动)。在这种类型的传感器中,小尺寸、高灵敏度、低观测无限大是特别重要的指标。

光学纳米棒最适合映射到低折射率材料(温图4 )。谐振器线圈内部的大部分区域是机器,这构成了固有的流体地下通道,为了将样品运送到传感器(与大部分环状或微小球形谐振器不同),需要可以选择的地下通道。使光纳米棒卷曲成能够自由转换的篮子,在其上涂布低折射率聚合物,通过卸下篮子,可以容易地制作纳米棒微线圈传感器。

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由于光学纳米棒的尺寸和涂布厚度不同,因此该传感器具有不同的灵敏度。测量结果表明,对于200nm纳米棒尺寸和几十纳米涂层的厚度,观测无限大可以降低到107,这意味着1千万个溶剂分子中可以检测到一个被分析物分子。

这比以往明确提出的任何传感器的灵敏度都低10倍以上。光学操作纳米棒表面的细胞和其他粒子是倏逝场的另一个应用引起的。

有人指出,光梯度对用光镊捕捉粒子非常简单。近年来,由于可以对大量粒子同时展开倒数操作,表面光学操作受到了很大的关注。该技术图以5.1秒间隔拍摄的显微照片显示了沿着光学纳米棒前进的直径3帧的扰流板。

俘虏纳米棒表面的粒子(a、b、c )从纳米棒的渐逝场前进,平均移动速度为9帧/秒,其光功率为数百毫瓦。在无菌环境中对大量细胞进行分类有自己的优点,在生物医学研究中经常被使用。最近几年,有报告称粒子向由玻璃和氮化硅构成的波导方向推进。

但是,由于平面波导的固有特性,这些限于二维,只有一小部分光在波导的外部传播,不存在高插入损失。光学纳米棒具有倏逝场更大、三维柔软性、投入和提取损失低的优点(图5 )。光学前进可以作为梯度力驱动粒子构成强度梯度,使它们对准波导,同时吸收和衍射力在场的传播方向上加快粒子移动的各种光学力的结果来说明。

忽略周围介质的粘性阻力和推力方向,允许粒子持续加速。粒子受到的光学力与它们表面的透过成比例。因此,光纳米棒的渐逝场和良好的光源波导耦合是开展粒子、细胞、生物分子操作和分类的优良工具。

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