本文由論文作者團隊（課題組）投稿

微納光纖是直徑接近或者小于導波波長的一維光波導，具有小尺寸、大表面體積比、強倏逝波傳輸特性等特點，使它們對外界環境表現出高靈敏、快響應速度和較低的探測極限等優勢，常被用作研究近場光學、量子光學、高精度傳感的重要工具。

在制備層面，微納光纖一般可由標準光纖（直徑>100 μm）經過火焰加熱、位移臺拉伸制備得到，最終呈現為由標準光纖（standard fibre）、腰區（waist region）以及過渡區（taper transition）構成的雙錐形結構（圖1），制備此類光纖的工藝過程也叫做光纖拉錐。

圖1：火焰拉伸法制備雙錐形微納光纖

為了將標準光纖拉細至微納光纖，發生形變區域的光纖需要由硬變軟，否則直接拉伸會導致光纖脆斷。因此，在光纖拉錐過程中，加熱區的溫度需要達到二氧化硅的玻璃化轉變溫度以上、光纖由玻璃態轉為粘流態后再通過位移臺施加拉力，產生形變。其關鍵在于，“熱源”與“拉力”（heat and pull）的控制。

相應的例子包括1992年Birks等人提出的“火焰刷”技術，即通過控制火焰燃燒嘴相對于緩慢拉伸的光纖的運動來實現可控形貌的光纖拉錐。后續的創新還包括使用電加熱器、高功率CO2激光器加熱方法等來改善氣流擾動、燃燒嘴慣性和實現控溫加熱。

除了上述的方案外，要提供光纖拉錐的“熱源”和“拉力”二要素，還可以在傳統思維框架外尋找答案。

近日，西湖大學仇旻教授課題組報道了利用金屬微米片的等離激元效應和在整根光纖中的宏觀預制形變分別提供“熱源”與“拉力”，進而實現光纖自拉錐的技術。該技術未使用火焰、加熱器等大尺寸的熱源，以及從外部提供拉力的位移臺，其緊湊和真空兼容的實驗系統可被轉移至掃描電子顯微鏡中，從而實現光纖拉錐過程在納米分辨率下的原位觀測和原位控制，同時該系統也示范了一種基于微納光纖對光熱效應進行原位研究的實驗方法。在理論層面，研究人員利用了光熱耦合和結構力學的仿真手段闡述了這項光纖拉錐技術中“熱源”與“拉力”的產生機制。

該成果以“Fibre Tapering Using Plasmonic Microheaters and Deformation-Induced Pull”發表在Light: Advanced Manufacturing。

如圖2A所示，電鏡中光纖原位拉錐的實驗裝置主體包括（1）一根通過傳統火焰拉伸方式預拉錐的微米光纖；以及（2）轉移至預拉錐光纖腰區的金微米片。該預拉錐光纖的標準光纖區域進一步通過光纖真空法蘭連接電鏡外的激光器。此外，該拉制過程也可在空氣環境中進行。

圖2：掃描電鏡腔室內的原位光纖拉錐實驗。（A）實驗裝置示意圖（B）微米光纖拉錐前后對比（C）調節光源開關控制的動態拉錐進程。

當通入激光后，微米光纖的倏逝場與金微米片發生相互作用，在特定波長范圍可激發出表面等離激元模式（SPPs），從而表現出強的光吸收作用和光熱效應。在金微米片中產生的熱量主要通過熱傳導方式傳遞給微米光纖，因此提供了將光纖加熱至玻璃化轉變溫度（Tg）以上所必須的“熱源”。實驗完成后，發生燒蝕的微米片可以用金屬剝離液或超聲方式去除。對于另一要素“拉力”，實驗過程中，預拉錐光纖被彎折為門字形結構并固定在剛性襯底上，在金屬片所處的區域，光纖的軸向應力狀態為拉應力，從而在受熱軟化后自發向兩側拉伸并形成雙錐形結構（圖2B）；當撤回熱源，微米光纖溫度降至玻璃化轉變溫度（Tg）以下，拉錐過程停止。由于該系統的緊湊性與真空兼容的特點，可利用掃描電鏡對該微納尺度的拉錐過程進行實時監控（圖2C）。

光熱耦合仿真可得到由等離激元微米片加熱的微米光纖的溫度分布，如圖3A所示。其中，高于玻璃化轉變溫度的光纖長度在微米量級，尺寸遠小于火焰或常規加熱器的加熱范圍。此外，研究人員發現，當使用連續光激光器和高重復頻率（100 kHz）脈沖激光器時，可以在平均輸入功率為毫瓦量級時達到溫度閾值（Tg）；而當使用低重復頻率脈沖激光器時，由于脈沖間隔時間變長，無法出現如圖3B所示的脈沖間熱累積，因此無法觀測到金片的熱損傷或光纖的軟化。

圖3：微米光纖-金片的光熱轉換以及熱傳導過程。（A）連續激光加熱，體系達到穩態后的溫度分布。有效加熱區(effective hot zone)標記為溫度超過玻璃化轉變溫度的區域。（B）重復頻率為100kHz的超連續激光加熱形成的脈沖間熱累積。

在拉力的產生方面，如圖4A所示，門字形彎折的微米光纖需要實現被固定的彎曲端（截面1）與自由懸空的平直端（截面2）之間的彎矩平衡，在平直端，也就是放置微米片的位置需要處于拉應力狀態，區別于彎曲端截面的凸側受拉和凹側受壓。當平直端由于微米片的光熱作用被加熱至軟化溫度時，微米光纖會發生平直端的自拉伸和彎曲端的自回復（彎曲半徑變大）來釋放其內部應力（圖4B），從而在無需外部拉伸系統的情況下實現光纖的自拉錐。

圖4：門字形彎折光纖中拉力的產生機制。（A）滿足截面1與2彎矩平衡產生的應力狀態。（B）光纖在平直端受熱軟化后的自拉錐過程。

| 總結與展望 |

這項新型光纖拉錐技術創造性地利用等離激元光熱效應與材料的宏觀形變提供高溫和拉伸條件，實現了在掃描電鏡中的原位光纖拉錐，并建立了光-熱-力相耦合的理論模型，為微納尺度下光與物質相互作用的原位研究提供了范例。

考慮到實際操作的成本與難度，其在實驗設計和理論分析的創新性與啟發性大于器件加工制備的實用性。未來，提高拉伸應力的可控性與熱源的可調節性是將此項技術突破實用性瓶頸的關鍵難題。

| 論文信息 |

Qiannan Jia, Weiwei Tang, Wei Yan, Min Qiu. Fibre tapering using plasmonic microheaters and deformation-induced pull[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 5(2023). 

https://doi.org/10.37188/lam.2023.005

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