端面结构调控对组分复合玻璃光纤的影响

在光纤端面集成功能结构的历史可以追溯至1974年，Cohen等基于光刻技术，首次在光纤端面制得半球形和半圆柱形微透镜，这种微透镜极大地提高了光耦合进单模光纤的效率［69］。1991年，Wolthuis等首次在光纤端面集成Fabry－Perot腔结构传感器，实现了压力和温度传感［70］。1999年，Laine等提出采用高温工艺对光纤端面进行改性，利用电弧放电在光纤端面制造高Q值石英微球，可支持回音壁模式谐振［71］。

近年来光聚合技术成为光纤端面集成微结构的重要手段。2011年，Williams等利用双光子聚合技术在光纤端面制作微光学元件［72］，如反射和衍射光学元件，如图4－16所示。图4－16a是一曲率半径为18.3μm的平凸透镜；图4－16b是一曲率半径为15.7μm的圆柱形透镜；图4－16c是多透镜系统；图4－16d是面心正方光子晶体结构。双光子聚合技术在光纤端面实现了三维微结构制备，这些微结构对光纤输出光场进行调制。

图4－16　光纤端面微结构的扫描电镜图像［72］

（a）平凸透镜；（b）圆柱形透镜；（c）多透镜系统；（d）面心正方光子晶体结构

2012年，Jung等利用飞秒激光双光子聚合技术在光纤端面SCR500树脂中制备了聚合物探针结构［73］。制备过程采用逐层扫描技术，通过减小逐层扫描截面在光纤端面堆积了一个曲率半径为45 nm的锥形聚合物探针结构，如图4－17所示。2013年，Bianchi等［74］用双光子聚合技术在光纤端面制作了一个抛物面反射器，如图4－18a所示。反射器增大光纤数值孔径接近1，提高了分辨率。图4－18b是抛物面反射器光线分布示意图，输出光场经抛物面后焦点尺寸明显减小。2015年，Ribeiro等提出了利用飞秒激光双光子聚合技术在光纤端面制备三种不同形状聚合物探针，这三种不同形状探针都可实现对微粒的操控［75］。

图4－17　逐层扫描制备聚合物锥形光纤探针［73］

（a）逐层扫描制备聚合物锥形尖端示意图；（b）制备的锥形尖端扫描电镜图像

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图4－18　光纤端面制备的抛物面反射器［74］

（a）抛物面反射器的扫描电镜图像；（b）光线分布示意图

近年来，基于微加工技术制备光纤端面微结构广泛应用于光束整形领域。2011年，Liu等采用基于表面等离激元的同心环形空气槽在光纤端面设计了一种超透镜，可对光束进行聚焦［76］，实验原理及结构设计如图4－19a所示。同年，Kang等提出了一种基于表面等离激元的光纤光束整形器件［77］，通过在复合光纤端面集成亚波长金属槽结构来激发表面等离激元得到准一维贝塞尔光束，器件结构如图4－19b所示。复合光纤由单模光纤与空芯石英光纤串联组成，可有效扩大光束直径。金膜上的纳米条形空气槽通过聚焦离子束加工技术制得，得到的准一维贝塞尔光束宽度0.8μm，焦距2μm。2014年，Guan等利用光纤端面金属微纳结构来产生艾里光束［78］，这是首次利用全光纤平台产生艾里光束。实验采用聚焦离子束对单模光纤端面上沉积的金膜进行加工，利用空气缝激发表面等离激元，再通过空气槽阵列将其解耦合到自由空间中，解耦合之后的表面等离激元波相位由每个空气槽位置决定。2016年，Vayalamkuzhi等采用聚焦离子束直接在光纤端面刻蚀出连续螺旋相位板和“叉”形光栅，如图4－20所示，均产生了具有螺旋相位结构的轨道角动量光束［79］。几乎同时，Ribeiro等同样采用聚焦离子束在光纤端面刻蚀出螺旋相位结构，也成功实现了拓扑荷数l=1轨道角动量光束的产生［80］。随后，Weber等采用飞秒激光在单模光纤端面制造出螺旋相位板结构，该相位板由10个离散的台阶组成，能分别产生拓扑荷数l=1，2，3的轨道角动量光束［81］。

图4－19　基于表面等离激元的光束整形器件

（a）光纤端面超聚焦表面等离激元透镜［76］；（b）光纤端面准一维贝塞尔光束发生器［77］

图4－20　采用聚焦离子束刻蚀的螺旋相位板和“叉”形光栅［79］

（a）光纤端面上制造的“叉”形光栅的扫描电镜图像，光栅总尺寸为20μm×20μm；（b）“叉”形光栅中心区域放大图；（c）光纤端面上制造的螺旋相位板的扫描电镜图像；（d）直径为10μm的螺旋相位结构放大图