近場(chǎng)光鑷中光纖探針結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

陳淑清，楊秀麗，潘春祥，劉鐵軍

（空軍航空大學(xué) 基礎(chǔ)部，吉林 長(zhǎng)春 130025）

0 引 言

激光近場(chǎng)光鑷是近年發(fā)展起來(lái)的一種微測(cè)量與操作系統(tǒng)，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的非接觸、無(wú)損傷微／納操作。物體表面亞波長(zhǎng)區(qū)域（近場(chǎng)區(qū)域）內(nèi)存在一種迅速衰減的隱失場(chǎng)，該局域隱失場(chǎng)在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)起主導(dǎo)作用［1］。微粒置于隱失場(chǎng)時(shí)能將該隱失場(chǎng)轉(zhuǎn)化為傳播場(chǎng)，在轉(zhuǎn)化過程中光子動(dòng)量發(fā)生改變，相應(yīng)的微粒的動(dòng)量也發(fā)生改變，從而對(duì)微粒產(chǎn)生力的作用［2］。激光近場(chǎng)光鑷即利用光纖探針針尖附近的局域隱失場(chǎng)來(lái)對(duì)微粒進(jìn)行納米操作，該方法可以突破衍射極限，有可能實(shí)現(xiàn)幾十納米微粒的操作。另外，由于作用范圍與捕獲空間非常小，該方法還可以消除遠(yuǎn)場(chǎng)光鑷中那種背景干擾現(xiàn)象。在納米操作系統(tǒng)小型化和集成化的趨勢(shì)下，與遠(yuǎn)場(chǎng)光鑷相比，激光近場(chǎng)光鑷更易集成于系統(tǒng)之中，因此，該方法將成為納米微粒和生物單分子最強(qiáng)有力的操作工具之一。

雖然已有文獻(xiàn)對(duì)近場(chǎng)光鑷中的某些理論問題進(jìn)行了研究，并得到了一些具有指導(dǎo)意義的結(jié)論，但所提供的信息還不足以透徹地理解光纖探針的場(chǎng)傳播與分布特性，特別是對(duì)光纖探針結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化分析很少［3－6］。由于光與物質(zhì)間主要是電場(chǎng)在起作用，因此電場(chǎng)的分布特性決定了光纖探針的近場(chǎng)光學(xué)特性，而錐形鍍膜光纖探針的入射波波長(zhǎng)、出射孔徑、錐角和金屬膜厚度是決定電場(chǎng)分布的主要因素。因此，為獲取最優(yōu)的光纖探針結(jié)構(gòu)，文中應(yīng)用三維FDTD計(jì)算方法進(jìn)行三維空間的數(shù)值仿真，分析了各參量對(duì)近場(chǎng)光學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 優(yōu)化模型

鍍膜光纖探針優(yōu)化模型如圖1所示。

圖1 錐形鍍膜光纖探針優(yōu)化模型

探針長(zhǎng)度 H＝600nm，大端直徑φ1＝700nm，針尖出口孔徑φ2＝100nm，纖芯為SiO2，介電常數(shù)ε＝2.25，折射率n＝1.5，光纖外層的Al厚T＝80nm，其導(dǎo)電率σ設(shè)為無(wú)限大。假設(shè)入射光為波長(zhǎng)λ＝632.8nm的均勻平面波，其波函數(shù)為E＝Eysin（2πft）＝sin（2πft），沿y方向偏振并沿－z方向從光纖的大端入射。三維FDTD法是求解Maxwell方程的一種數(shù)值解法，它能直接在時(shí)域進(jìn)行計(jì)算，物理圖像清晰，可模擬各種復(fù)雜的電磁結(jié)構(gòu)，具有廣泛的適用性，并且對(duì)同一問題與其它方法相比，能節(jié)約存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間［7－8］。計(jì)算中將針尖孔徑中心設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，將整個(gè)所需計(jì)算的三維空間劃分為100×99×130個(gè)網(wǎng)格單元陣列，每個(gè)單元格在x，y，z坐標(biāo)方向的網(wǎng)格空間步長(zhǎng)分別為Δx＝Δy＝Δz＝10nm，時(shí)間步長(zhǎng)為Δt＝Δx／2c，其中c為真空中的光速。

2 鍍膜光纖探針優(yōu)化分析

近場(chǎng)光鑷中探針尖端出射的光強(qiáng)越大越好，故通過計(jì)算電場(chǎng)隨不同波長(zhǎng)λ、孔徑φ2、錐角θ和金屬膜厚度T的變化情況來(lái)對(duì)光纖探針的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。在其它參量相同的情況下，x＝0平面和z＝0平面上總電場(chǎng)｜E｜隨不同波長(zhǎng)的變化情況如圖2所示。

圖2 不同波長(zhǎng)下電場(chǎng)總量的分布結(jié)果

從圖中可以看出，波長(zhǎng)越大，則光在這段波導(dǎo)中形成的駐波場(chǎng)越強(qiáng)，從探針尖端出射的光強(qiáng)越小。當(dāng)入射波波長(zhǎng)λ＝1 523nm時(shí)，光波受到邊界的反射與入射波疊加形成駐波圖樣，通過截止面衰減出去的波很少，故針尖出射端光強(qiáng)很小。

不同出射孔徑下總電場(chǎng)｜E｜的分布如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著孔徑的增大，探針內(nèi)駐波變?nèi)?，截止平面與探針尖端距離也變小，從而出射光場(chǎng)強(qiáng)度與范圍均變大，產(chǎn)生的隱失場(chǎng)范圍也更寬。當(dāng)孔徑φ2為200nm時(shí)，小于截止直徑部分的探針長(zhǎng)度最小，因此其出射光場(chǎng)強(qiáng)度最大。隨著孔徑增大，駐波分布圖樣趨于對(duì)稱，故探針內(nèi)駐波分布與光纖探針的尺寸有一定關(guān)系。

圖3 不同孔徑下電場(chǎng)總量的分布結(jié)果

錐角為20°，53°和90°時(shí)，總電場(chǎng)｜E｜在x＝0平面和z＝0平面上的分布如圖4所示。

圖4 不同錐角下電場(chǎng)總量的分布結(jié)果

從圖中可以看出，探針孔出射電場(chǎng)隨角度增大而增大。當(dāng)光進(jìn)入鍍有金屬膜的光纖探針時(shí)，根據(jù)波導(dǎo)理論，隨探針孔徑逐漸減小，各種模式波逐個(gè)被截止。在光纖探針直徑等于TE11模截止直徑的情況下，該位置處的光強(qiáng)達(dá)到最大值，除一部分光在截止平面發(fā)生反射外，另一部分光穿過截止平面以指數(shù)衰減的形式向探針的出射端傳播。由于光纖探針尖端的光強(qiáng)取決于探針出射端與TE11模的截止平面間的距離，因此，如果光纖探針錐角變大，在較短截止區(qū)的作用下，探針尖端的出射光場(chǎng)變強(qiáng)，近場(chǎng)分布變得集中。

總電場(chǎng)｜E｜隨不同膜厚的變化情況如圖5所示。

圖5 不同膜厚下電場(chǎng)總量的分布結(jié)果

探針內(nèi)電場(chǎng)分布保持不變，出射電場(chǎng)強(qiáng)度亦不變，但膜層越薄，則膜層外側(cè)近場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象越明顯。在計(jì)算時(shí)假設(shè)金屬膜為理想導(dǎo)體，即光在金屬中的穿透深度為零，很薄一層金屬即可將光完全屏蔽，這與實(shí)際情況有差別，特別在靠近針尖頂端部分，如果金屬膜的厚度不夠，則可能有部分光從探針中泄露出來(lái)對(duì)近場(chǎng)分布產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)光纖探針各縱截面上光場(chǎng)的分布情況可知，電磁波從探針針尖出射后會(huì)繞射到金屬膜外表面，到達(dá)金屬膜外側(cè)后，在金屬膜的棱角處由于尖端效應(yīng)，將出現(xiàn)二次近場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象。從探針金屬膜外側(cè)電場(chǎng)分布圖來(lái)看，當(dāng)膜厚T＝200nm時(shí)，金屬膜外側(cè)的近場(chǎng)增強(qiáng)幾乎可以忽略。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)近場(chǎng)光鑷中鍍金屬膜光纖探針的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用三維FDTD方法計(jì)算了不同波長(zhǎng)、孔徑、錐角和金屬膜厚度下總電場(chǎng)的變化情況。從結(jié)果可以看到，選擇較小入射波長(zhǎng)、較大孔徑、較大錐角并鍍上合適膜厚的光纖探針，可以明顯提高光纖探針的通光效率，獲得較大的局域近場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。該計(jì)算就近場(chǎng)光鑷光纖探針近場(chǎng)特性方面進(jìn)行了有益的探索和嘗試，對(duì)光學(xué)探針的制作及其性能的改善將具有重要意義。

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