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

在制備層面，微納光纖一般可由標(biāo)準(zhǔn)光纖（直徑>100 μm）經(jīng)過火焰加熱、位移臺(tái)拉伸制備得到，最終呈現(xiàn)為由標(biāo)準(zhǔn)光纖（standard fibre）、腰區(qū)（waist region）以及過渡區(qū)（taper transition）構(gòu)成的雙錐形結(jié)構(gòu)（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(biāo)準(zhǔn)光纖拉細(xì)至微納光纖，發(fā)生形變區(qū)域的光纖需要由硬變軟，否則直接拉伸會(huì)導(dǎo)致光纖脆斷。因此，在光纖拉錐過程中，加熱區(qū)的溫度需要達(dá)到二氧化硅的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上、光纖由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)為粘流態(tài)后再通過位移臺(tái)施加拉力，產(chǎn)生形變。其關(guān)鍵在于，“熱源”與“拉力”（heat and pull）的控制。

相應(yīng)的例子包括1992年Birks等人提出的“火焰刷”技術(shù)，即通過控制火焰燃燒嘴相對(duì)于緩慢拉伸的光纖的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)可控形貌的光纖拉錐。后續(xù)的創(chuàng)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(dòng)、燃燒嘴慣性和實(shí)現(xiàn)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(tǒng)思維框架外尋找答案。

近日，西湖大學(xué)仇旻教授課題組報(bào)道了利用金屬微米片的等離激元效應(yīng)和在整根光纖中的宏觀預(yù)制形變分別提供“熱源”與“拉力”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光纖自拉錐的技術(shù)。該技術(shù)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(tái)，其緊湊和真空兼容的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可被轉(zhuǎn)移至掃描電子顯微鏡中，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)該系統(tǒng)也示范了一種基于微納光纖對(duì)光熱效應(yīng)進(jìn)行原位研究的實(shí)驗(yàn)方法。在理論層面，研究人員利用了光熱耦合和結(jié)構(gòu)力學(xué)的仿真手段闡述了這項(xiàng)光纖拉錐技術(shù)中“熱源”與“拉力”的產(chǎn)生機(jī)制。

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

如圖2A所示，電鏡中光纖原位拉錐的實(shí)驗(yàn)裝置主體包括（1）一根通過傳統(tǒng)火焰拉伸方式預(yù)拉錐的微米光纖；以及（2）轉(zhuǎn)移至預(yù)拉錐光纖腰區(qū)的金微米片。該預(yù)拉錐光纖的標(biāo)準(zhǔn)光纖區(qū)域進(jìn)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(huán)境中進(jìn)行。

圖2：掃描電鏡腔室內(nèi)的原位光纖拉錐實(shí)驗(yàn)。（A）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖（B）微米光纖拉錐前后對(duì)比（C）調(diào)節(jié)光源開關(guān)控制的動(dòng)態(tài)拉錐進(jìn)程。

當(dāng)通入激光后，微米光纖的倏逝場與金微米片發(fā)生相互作用，在特定波長范圍可激發(fā)出表面等離激元模式（SPPs），從而表現(xiàn)出強(qiáng)的光吸收作用和光熱效應(yīng)。在金微米片中產(chǎn)生的熱量主要通過熱傳導(dǎo)方式傳遞給微米光纖，因此提供了將光纖加熱至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以上所必須的“熱源”。實(shí)驗(yàn)完成后，發(fā)生燒蝕的微米片可以用金屬剝離液或超聲方式去除。對(duì)于另一要素“拉力”，實(shí)驗(yàn)過程中，預(yù)拉錐光纖被彎折為門字形結(jié)構(gòu)并固定在剛性襯底上，在金屬片所處的區(qū)域，光纖的軸向應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力，從而在受熱軟化后自發(fā)向兩側(cè)拉伸并形成雙錐形結(jié)構(gòu)（圖2B）；當(dāng)撤回?zé)嵩?，微米光纖溫度降至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以下，拉錐過程停止。由于該系統(tǒng)的緊湊性與真空兼容的特點(diǎn)，可利用掃描電鏡對(duì)該微納尺度的拉錐過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)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(zhuǎn)變溫度的光纖長度在微米量級(jí)，尺寸遠(yuǎn)小于火焰或常規(guī)加熱器的加熱范圍。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用連續(xù)光激光器和高重復(fù)頻率（100 kHz）脈沖激光器時(shí)，可以在平均輸入功率為毫瓦量級(jí)時(shí)達(dá)到溫度閾值（Tg）；而當(dāng)使用低重復(fù)頻率脈沖激光器時(shí)，由于脈沖間隔時(shí)間變長，無法出現(xiàn)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(zhuǎn)換以及熱傳導(dǎo)過程。（A）連續(xù)激光加熱，體系達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫度分布。有效加熱區(qū)(effective hot zone)標(biāo)記為溫度超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域。（B）重復(fù)頻率為100kHz的超連續(xù)激光加熱形成的脈沖間熱累積。

在拉力的產(chǎn)生方面，如圖4A所示，門字形彎折的微米光纖需要實(shí)現(xiàn)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(yīng)力狀態(tài)，區(qū)別于彎曲端截面的凸側(cè)受拉和凹側(cè)受壓。當(dāng)平直端由于微米片的光熱作用被加熱至軟化溫度時(shí)，微米光纖會(huì)發(fā)生平直端的自拉伸和彎曲端的自回復(fù)（彎曲半徑變大）來釋放其內(nèi)部應(yīng)力（圖4B），從而在無需外部拉伸系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)光纖的自拉錐。

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

| 總結(jié)與展望 |

這項(xiàng)新型光纖拉錐技術(shù)創(chuàng)造性地利用等離激元光熱效應(yīng)與材料的宏觀形變提供高溫和拉伸條件，實(shí)現(xiàn)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(zhì)相互作用的原位研究提供了范例。

考慮到實(shí)際操作的成本與難度，其在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析的創(chuàng)新性與啟發(fā)性大于器件加工制備的實(shí)用性。未來，提高拉伸應(yīng)力的可控性與熱源的可調(diào)節(jié)性是將此項(xiàng)技術(shù)突破實(shí)用性瓶頸的關(guān)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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