作者：Gilberto Brambilla 來源：《激光世界》 cz.-cuD[iD
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近幾年，納米科學和納米技術(shù)引起了人們的極大興趣，這是因為當材料以納米尺度構(gòu)造時會表現(xiàn)出一些新奇的特性。在過去的二十年中，人們采用廣泛的技術(shù)已經(jīng)用多種多樣的材料構(gòu)造出了納米絲和亞波長絲，這些技術(shù)包括電子束刻蝕、激光消融、模板法、氣相-液相-固相技術(shù)、物理或化學氣相沉積和溶膠-凝膠法。 <~f/T]E,
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盡管以前利用二氧化硅曾經(jīng)制造出過光學納米絲，但它們大多數(shù)沿長度方向都具有不規(guī)則的形狀。表面粗糙和長度方向的不均勻性似乎限制了本應很容易達到的損耗水平，從而也限制了它們在光學上的應用。 ]2tX'=X
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納米絲也可以通過光纖拉制而成，這個過程可以實現(xiàn)非常低的表面粗糙度和很高的均勻性。這些納米絲的低光學損耗為大量新興光學器件在通信、傳感、生物以及化學領(lǐng)域的應用開辟了新道路。 +
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光纖納米絲由光纖通過絕熱拉伸而成，并在輸入和輸出端保持原來的光纖尺寸，以便于與標準的光纖和光纖器件連接。這些光纖尾纖具有宏觀尺寸，因此不需要應用于納米范疇的昂貴儀器就可以對單根納米絲進行操作。 V5M_ N;h
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火焰燒蝕法 0gx bo
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在過去的四年中，由光纖制造的納米絲技術(shù)已經(jīng)建立了一種可靠的生產(chǎn)方法來獲得足夠低的損耗，以滿足光纖器件的應用需求。一種叫做“火焰燒蝕”的技術(shù)可以制造具有最低測量損耗的最長、最均勻的納米絲�；鹧鏌g技術(shù)開發(fā)的初衷是用于制造光纖錐和耦合器，其制造過程是讓一小團火焰在一段被拉伸的光纖下面移動，通過控制火焰的移動和光纖的拉伸，能夠以極高的精度確定光纖錐的形狀。 e PlEd'Z
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盡管采用這種技術(shù)可以很容易獲得直徑在1μm范圍內(nèi)的光纖錐，但是制造半徑為30nm的納米絲卻是一個很大的挑戰(zhàn)，并且需要對處理溫度和納米絲周圍的氣流進行精確地控制。南安普敦大學的研究人員已經(jīng)利用火焰燒蝕技術(shù)制造出由光纖拉制的迄今為止損耗最低、長度最長的納米絲。由這種技術(shù)制造出的納米絲具有極好的均勻性，納米絲的長度是直徑波動的數(shù)百萬倍。目前已經(jīng)制造出長度大于100mm的納米絲，測量的光學損耗低至1dB/m。 wS8q ua
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獨特屬性 Nqy' ,N
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光學納米絲具有很多光學特性和機械特性。首先，它們具有極好的柔韌性，并且由于納米絲的機械強度較高，因此它們可以很容易地被操做和彎曲。雖然通信光纖在彎曲半徑小于10mm時就會產(chǎn)生相當大的光學損耗，但光學納米絲可以做到在數(shù)微米的彎曲半徑下仍具有相對較低的誘導損耗，因此可以實現(xiàn)幾何形狀復雜的高度緊湊器件。其次，它們具有較大的瞬逝場，與所有的光都被限制在纖芯/包層的玻璃結(jié)構(gòu)中不同，在光學納米絲中透射功率的相當一部分可以在納米絲物理邊界以外的瞬逝場中傳輸。最后，它們具有較高的非線性系數(shù)。非線性過程很大程度上依賴于光強，可以通過高功率光源或小波導來增大光強。與傳統(tǒng)通信光纖相比，光學納米絲中的光束可以在較長的器件長度上被限制到比過去小100倍的區(qū)域中，此可以在相對適中的功率水平上觀測到非線性相互作用，例如超連續(xù)光譜產(chǎn)生。 :Iw)xd1d}\
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在這些特性中，大瞬逝場當然是實現(xiàn)傳感器和器件最吸引人的特性。在亞微米區(qū)域，光纖的直徑比在其中傳輸?shù)墓獠ㄩL還要��；由于衍射，光不可能被限制在光纖中。相當一部分光功率在光纖物理邊界的外部傳輸；當光纖半徑接近100nm時，波長為1.55祄的光就會在很大程度上發(fā)生衍射，其光斑尺寸比光纖的物理尺寸大100倍。換句話說，99%以上的光功率都在光纖的外部傳輸。 k4s >sd3 5
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因為瞬逝場存在于周圍介質(zhì)中，因此它可以用作化學傳感器。直接將其鍍上鈀膜可以得到一個具有快速響應時間（小于10s）的卓越的氫傳感器。盡管如此，相互作用長度仍受限于光學納米絲的長度，其長度一般為幾個毫米。把光學納米絲本身纏繞起來，光就會限制在微線圈中，并且可以在到達輸出尾纖之前環(huán)繞幾千圈。這個特性擴展了器件的有效長度，因此使其與被測的化學成分的相互作用長度要長得多。比如，一個亞毫米直徑的簡單線圈可以具有超過1m的相互作用長度。與其他遇到非常大的輸入/輸出耦合問題的高Q值諧振腔相比，微線圈具有易于與其他光纖和光纖耦合器件連接的優(yōu)點，因為它在尾纖末端具有標準光纖。 L;>tuJY1
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化學與生物傳感 ~E#>2Mh
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由于光纖微線圈諧振腔具有很窄的諧振頻率，從而可用于制造窄帶濾波器和高靈敏度折射傳感器，這引起了人們的極大興趣。折射傳感器是化學與生物傳感器，它們通過測定折射率的變化來測量特定化學/生物混合物的濃度。在這些傳感器中，高Q因數(shù)（或窄帶寬）意味著較低的探測極限（被分析物的最低可探測量），大瞬逝場帶來高靈敏度（折射率的單位變化導致諧振波長的漂移）。對于這種類型的傳感器，小尺寸、高靈敏度和低探測極限是最為重要的指標。 /1t(e._
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光學納米絲非常適合于嵌入到低折射率材料中應用。諧振腔線圈內(nèi)部的大部分區(qū)域是空的，這形成了一個固有的流體通道將樣品運送至傳感器（不像大多數(shù)環(huán)形或微球形諧振腔），因此還需要一個附加通道。把光學納米絲纏繞在一個可隨意改變的棒上，然后涂上一層低折射率聚合物，再將棒移走就可以很容易地制成納米絲微線圈傳感器。不同的光學納米絲尺寸和涂敷厚度，使這種傳感器具有不同的靈敏度。測量結(jié)果顯示，對于200nm的納米絲尺寸和數(shù)十納米的涂敷層厚度，探測極限可以低至10-7，這意味著它可以在一千萬個溶劑分子中檢測出一個被分析物分子。這比以前提出的任何一種傳感器的靈敏度高10倍以上。 8la.N*
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光學操縱 mJ[Lm Q<:
操縱納米絲表面的細胞和其他粒子是得益于大瞬逝場的另一個應用。研究表明，光梯度對于利用光鑷捕獲粒子極為有用。近年來，由于同時對大量粒子進行連續(xù)操縱成為可能，因此表面光學操縱引起了人們的極大興趣。這項技術(shù)在無菌環(huán)境中對大量細胞進行分類具有獨特優(yōu)勢，而這在生物醫(yī)學研究中是經(jīng)常要用到的。 NSj }?hz
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在過去的幾年中，已經(jīng)報道了沿著由玻璃或氮化硅制成的波導方向推進粒子。然而，由于平面波導的固有特性，它們被局限于二維，只有小部分光在波導外部傳輸，并存在較高的插入損耗。光學納米絲具有瞬逝場更大、三維靈活度以及插入和提取損耗低的優(yōu)點。 _q M'm^z5
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光學推進可以解釋為多種光學力的結(jié)果：梯度力驅(qū)動粒子形成強度梯度并把它們鎖定在波導上，同時吸收和散射力在場傳播方向上加速粒子移動。周圍介質(zhì)的粘滯阻力與推進力方向相反，限制了粒子的持續(xù)加速。粒子受到的光學力與它們表面的光強成正比。因此，光學納米絲的大瞬逝場和良好的光源-波導耦合使之成為一個用于對粒子、細胞和生物分子進行操縱與分類的卓越工具。
