1.本发明涉及的是一种锥体环形等离子光源发生器，还涉及该锥体环形等离子光源的制备方法，属于微纳光学器件技术领域。
背景技术：
2.表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,spps)是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式,或者说是在局域金属表面的一种自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。在这种相互作用中,自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近,沿表面传播,并能在特定纳米结构条件下形成光场增强，这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的spps。通过改变金属表面结构,spps的特性就能不断得到体现,这为发展各种新型的光学设备提供了机遇。
3.普通光纤类型，比如多种高折射率光纤，并不能突破衍射极限。但光纤具有的柔性结构以及多重优良性质，使得光纤传感有着独特的优势。而spps的研究和应用越来越广泛，但在光纤中的应用很少。利用spps模式电磁场能量束缚能力强、可保持稳定偏振态、对介质折射率变化敏感，纳米金属结构可同时通电传光等优点，若能在传统光纤上混合集成spps特性，就能在兼具spps和普通光纤优良特性的同时，还可与普通光纤互联，易形成新型光电器件，应用于多个领域。典型的应用就是基于光纤的spr传感器，这些传感器在生化传感上得到了广泛的使用。除此之外，很少有其他的光纤与spps相集成的器件。因此，基于光纤的spps器件，例如表面等离子体光源发生器、基于光纤的表面等离子体探测器等器件将会是spps技术在亚波长光学、数据存储、发光技术、显微技术和生物光子学领域得到新应用的关键。
4.由于在连续的电解质内部spps的波矢量大于光波的波矢量,或者说spps的动量与入射光子的动量不匹配,所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离子体波,需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配。常用的结构有以下几种:(1)采用棱镜耦合,比较常用的有otto方式和kretschman方式；(2)采用波导结构，常见的应用是基于光纤的spr传感器；(3)采用衍射光栅结构，将辐射以特定角度射向金属表面的光栅；(4)采用大的数值孔径的物镜，实现强聚焦光束；(5)采用金属表面缺陷对激发光散射来激发spps。但这些spps发生源的很难和光纤结合，尤其是单模光纤。因此如何结合单模光纤制备spps，形成spps的发生源十分重要。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于提供一种锥体环形等离子光源发生器。
6.一种锥体环形等离子光源发生器，该器件由低折射率石英毛细管、镀有金属膜的单模光纤、光波到等离子波转换的锥体以及一段混合等离子波导尾纤组成；具体的连接关系为：镀有金属膜的单模光纤插入低折射率石英毛细管内，高温下一起拉锥，单模光纤的纤
芯变细至不再能够束缚光波，光波转移到单模光纤的包层传输，单模光纤外部的金属膜也随之变薄至数十纳米；在锥体的局部区域，光波和等离子波满足相位匹配条件，能量由光波耦合到等离子波，等离子波沿着尾纤传输至输出端，输出环形等离子波。
7.所述的金属膜是金膜。
8.所述的低折射率石英毛细管是氟元素掺杂的石英毛细管或内壁含有掺氟低折射率层的石英毛细管。
9.一种锥体环形等离子光源发生器的制备方法：
10.步骤1：选取单模光纤，剥去一段涂覆层，擦净；
11.步骤2：在单模光纤的柱面上均匀镀制一层金膜；
12.步骤3：将镀有金膜的单模光纤插入低折射率石英毛细管的孔内，高温下抽气塌缩，使二者间的间隙消失，无气泡；
13.步骤4：高温下拉锥，形成光波向等离子波耦合转换的过渡锥区后，保持直径拉丝，制备出一段混合等离子波导尾纤。
14.步骤5：将混合等离子波导尾纤切平，得到锥体环形等离子光源发生器。
15.与在先技术相比，本发明的显著优势在于：
16.(1)本发明可以和标准单模光纤兼容结合，单模光纤易获取并且可弯曲，极具灵活性，并且解决了光纤和表面等离子激元器件的连接问题。
17.(2)表面等离子发生源的金膜始终包含在介质波导内部，并且逐渐变薄变小，和常规裸露金属膜的表面等离子发生源相比，本发明受环境的影响很小，无惧空气中的尘埃、水汽等对器件金膜的污染。
附图说明
18.图1是外表面镀有金膜的单模光纤的横截面结构图。
19.图2是锥体环形等离子光源发生器的结构图。
20.图3是锥体环形等离子光源发生器的工作原理图。
21.图4是纤芯基模和表面等离子激元基模的有效折射率随着拉锥直径比例的变化曲线。
22.图5是光纤包层内高阶模和高阶表面等离子激元模的有效折射率随着拉锥直径比例的变化曲线。
23.图6是光纤包层内高阶模和环形表面等离子激元模的有效折射率随着拉锥直径比例的变化曲线。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体的实施例来进一步阐述本发明。
25.如图1所示的是外表面镀有金膜的单模光纤的横截面结构图。光纤包括单模纤芯1
‑
1，包层1
‑
2和金膜1
‑
3。
26.如图2所示的是锥体环形等离子光源发生器的结构图。镀有金膜的单模光纤1插入低折射率石英毛细管2内，高温下一起拉锥，得到模场转变锥区3，单模光纤1的纤芯1
‑
1变细至不再能够束缚光波，光波转移到单模光纤的包层1
‑
2传输，单模光纤1外部的金膜1
‑
3也随
之变薄至数十纳米，保持光纤直径拉制出表面等离子波的尾纤4。
27.如图3所示，在模场转变锥区3，光波5和表面等离子波6满足相位匹配条件，能量由光波5耦合到表面等离子波6，表面等离子波沿着尾纤4传输至输出端，输出环形表面等离子波。
28.使用comsol有限元分析软件，对锥体渐变过程中的不同位置处进行模场的模式分析，得到不同缩放倍率下的不同模式的有效折射率。
29.图4～图6为单模光纤纤芯或者包层内的不同光场模式和对应的表面等离子波模式的有效折射率随拉锥比例的变化曲线。其中实线为光波模式的有效折射率曲线，虚线为对应表面等离子波模式的变化曲线。两条线的交点处能实现光波到表面等离子波的耦合转换。
30.从三幅图中可以看出，光波模式和表面等离子波模式的有效折射率曲线交点的横坐标位置不同，说明不同的光波模式在锥区的不同位置处分别逐渐耦合为表面等离子模式。
31.在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。
技术特征：
1.一种锥体环形等离子光源发生器，其特征是：该器件由低折射率石英毛细管、镀有金属膜的单模光纤、光波到等离子波转换的锥体以及一段混合等离子波导尾纤组成；具体的连接关系为：镀有金属膜的单模光纤插入低折射率石英毛细管内，高温下一起拉锥，单模光纤的纤芯变细至不再能够束缚光波，光波转移到单模光纤的包层传输，单模光纤外部的金属膜也随之变薄至数十纳米；在锥体的局部区域，光波和等离子波满足相位匹配条件，能量由光波耦合到等离子波，等离子波沿着尾纤传输至输出端，输出环形等离子波。2.根据权利要求1所述的一种锥体环形等离子光源发生器，其特征是：所述的金属膜是金膜。3.根据权利要求1所述的一种锥体环形等离子光源发生器，其特征是：所述的低折射率石英毛细管是氟元素掺杂的石英毛细管。4.一种锥体环形等离子光源发生器的制备方法，其特征是：步骤1：选取单模光纤，剥去一段涂覆层，擦净；步骤2：在单模光纤的柱面上旋转均匀镀制一层金膜；步骤3：将镀有金膜的单模光纤插入低折射率石英毛细管的孔内，高温下抽气塌缩，使二者间的间隙消失，无气泡；步骤4：高温下拉锥，形成光波向等离子波耦合转换的过渡锥区后，保持直径拉丝，制备出一段混合等离子波导尾纤；步骤5：将混合等离子波导尾纤切平，得到锥体环形等离子光源发生器。
技术总结
本发明提供的是一种锥体环形等离子光源发生器，其特征是：该器件由低折射率石英毛细管、镀有金属膜的单模光纤、光波到等离子波转换的锥体以及一段混合等离子波导尾纤组成。具体的连接关系为：镀有金属膜的单模光纤插入低折射率石英毛细管内，高温下一起拉锥，单模光纤的纤芯变细至不再能够束缚光波，光波转移到单模光纤的包层传输，单模光纤外部的金属膜也随之变薄至数十纳米；在锥体的局部区域，光波和等离子波满足相位匹配条件，能量由光波耦合到等离子波，等离子波沿着尾纤传输至输出端，输出环形等离子波。本发明可用于表面等离子激元的生成，可广泛用于基于表面等离子激元的光学集成器件。学集成器件。学集成器件。
技术研发人员：苑立波 王剑 杨世泰
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2021.08.26
技术公布日：2021/11/21
再多了解一些
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