由地球表面的石英砂提純制成的石英玻璃光纖，自1960年代發(fā)明以來(lái)，由于傳輸損耗極低、結(jié)構(gòu)靈活、機(jī)械強(qiáng)度高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光通信、傳感、醫(yī)療、工業(yè)技術(shù)及科學(xué)研究等領(lǐng)域。作為傳輸光信號(hào)和能量的載體，常規(guī)光纖的直徑為125微米，和一根頭發(fā)粗細(xì)差不多，能夠自由彎曲，因此可以靈活應(yīng)用于線纜、鐵軌、管道、機(jī)翼、電路板、機(jī)箱等各種場(chǎng)合，而不需要增加額外的空間。然而，常規(guī)光纖雖然已經(jīng)很細(xì)，但是和光的波長(zhǎng)（通常為1微米量級(jí)）相比仍然很大。根據(jù)經(jīng)典光學(xué)原理，光在介質(zhì)中的約束程度，最小可以達(dá)到衍射極限（即光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)的量級(jí)）。因此，光纖直徑還有大幅度減小的余地。另一方面，近年來(lái)納米技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)微納尺度上光的自由操控提出了越來(lái)越高的要求。比如，我們可以在一架飛機(jī)上安裝光纖來(lái)監(jiān)測(cè)飛行過(guò)程中的機(jī)翼形變，但是如果把飛機(jī)縮小到一只蜜蜂或微型飛行器的大小，標(biāo)準(zhǔn)光纖尺寸顯然太大，安裝后將使被測(cè)對(duì)象無(wú)法飛行。因此，如果能將光纖直徑大幅度減小，將有可能在微納尺度上起到與標(biāo)準(zhǔn)光纖類似的光傳輸、傳感等功能，拓展光纖技術(shù)的應(yīng)用范圍。而當(dāng)直徑降低到波長(zhǎng)量級(jí)或衍射極限時(shí)，光纖將會(huì)顯示出不同于標(biāo)準(zhǔn)光纖的新穎傳輸特性，有希望開(kāi)拓光纖技術(shù)新的研究和應(yīng)用前沿。

微納光纖制備與特性

2003年，我們與國(guó)外研究組合作，首次制作了直徑小于光波長(zhǎng)、長(zhǎng)度數(shù)十毫米的低損耗微納光纖[1]。這些光纖的直徑最小可達(dá)100納米量級(jí)，比頭發(fā)細(xì)100～1000倍，且導(dǎo)光性能好、可自由彎曲，引起了國(guó)內(nèi)外很多研究人員的興趣。

微納光纖通常使用火焰或電加熱、機(jī)械拉伸標(biāo)準(zhǔn)光纖制備而成，由于使用了計(jì)算機(jī)反饋控制，所拉制的微納光纖的直徑均勻度很高，直徑可以在幾百納米到幾微米之間選擇。

通常，標(biāo)準(zhǔn)光纖具有直徑為10微米左右的纖芯和125微米的包層結(jié)構(gòu)，纖芯折射率略高于包層，使得傳輸光可以在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，從而將光約束在光纖內(nèi)部向前傳輸。作為對(duì)比，微納光纖的直徑接近或小于光波長(zhǎng)，光沿著其傳輸時(shí)很大一部分能量能夠以一種倏逝場(chǎng)的形式存在[2]，即光被約束在光纖表面附近空間傳輸，這一特性非常適用于微納尺度上的高效率光學(xué)近場(chǎng)耦合，以及傳輸光與表面物質(zhì)的相互作用。而且，由于微納光纖一般使用空氣、真空或水等低折射率介質(zhì)作為包層，包層和纖芯的折射率差很大，對(duì)傳輸光場(chǎng)約束能力強(qiáng)，盡管存在大比例倏逝場(chǎng)，在光纖橫截面上仍然可以把光場(chǎng)約束在接近光學(xué)衍射極限的波長(zhǎng)尺度上。同時(shí)，通過(guò)選擇合適的光纖直徑、周圍環(huán)境折射率和傳輸光波長(zhǎng)等參數(shù)，可以獲得表面場(chǎng)增強(qiáng)、大梯度倏逝場(chǎng)、大波導(dǎo)色散等標(biāo)準(zhǔn)光纖所不具備的特性，在光學(xué)近場(chǎng)耦合、傳感、原子/量子光學(xué)、非線性光學(xué)、光纖激光、光力操控等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景 [3]。

高靈敏光學(xué)傳感器

微納光纖的強(qiáng)約束傳導(dǎo)模、特別是表面?zhèn)鬏數(shù)馁渴艌?chǎng)的強(qiáng)度、相位、光譜等參數(shù)對(duì)周圍環(huán)境折射率的變化非常敏感，適合于高靈敏光學(xué)傳感應(yīng)用，因此，微納光纖傳感器一直是微納光纖技術(shù)中被研究和關(guān)注最多的方向之一。

目前，基于微小尺寸的微納光纖傳感結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于檢測(cè)濃度、溫度、濕度、形變、壓力、pH值、電流等一系列物理、化學(xué)、生物量的傳感器，具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)尺寸小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[4]。比如，針對(duì)機(jī)器人控制、人機(jī)交互及醫(yī)療健康等領(lǐng)域?qū)ξ⑿〕叨?、高靈敏、可穿戴的傳感器的要求，以及“電子皮膚”式傳感器在一些應(yīng)用中存在易受電磁干擾、響應(yīng)速度受限等挑戰(zhàn)，研究者提出使用聚合物薄膜包埋微納光纖的方式，形成“光學(xué)皮膚”式微納光纖可穿戴傳感器[5]。利用微納光纖微彎及聚合物薄膜折射率變化引起的傳導(dǎo)模倏逝場(chǎng)能量變化，實(shí)現(xiàn)了超高靈敏度（達(dá)1870千帕-1）、超低檢測(cè)下限（低至7毫帕）、快響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間小于10微秒）、抗電磁干擾的光學(xué)傳感器，用于觸覺(jué)、脈搏、呼吸、語(yǔ)音、關(guān)節(jié)動(dòng)作等的高靈敏測(cè)量，為生理指標(biāo)監(jiān)測(cè)、機(jī)械手遠(yuǎn)程操控、新型觸覺(jué)感知等提供了新途徑。

在此基礎(chǔ)上，將包埋在聚合物薄膜中的微納光纖進(jìn)行預(yù)彎曲以增加可拉伸長(zhǎng)度及測(cè)量范圍，就可實(shí)現(xiàn)該傳感器對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)、拉伸、溫度等的高靈敏檢測(cè)[6]。比如，基于聚合物材料的熱光效應(yīng)（即折射率隨溫度變化的效應(yīng)）研制的“光學(xué)皮膚”溫度傳感器，在35～41℃的典型體溫范圍內(nèi)，溫度測(cè)量分辨率達(dá)到0.01℃。該類傳感器還可以進(jìn)一步拓展用于血壓、組織硬度、風(fēng)速氣流等的高靈敏度監(jiān)測(cè)，有希望為組織觸診、手術(shù)機(jī)器人和物體識(shí)別中的硬度傳感等提供光學(xué)解決方案。

冷原子操控

根據(jù)原子躍遷波長(zhǎng)選擇合適的光纖直徑，微納光纖可以在其表面附近空間形成強(qiáng)倏逝場(chǎng)及光學(xué)梯度力，用于操控表面附近的冷原子[即處于極低溫下（接近絕對(duì)零度）的原子]或納米顆粒，實(shí)現(xiàn)原子囚禁或定向輸運(yùn)[7]。相比于其他波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，微納光纖原子操控方案具有勢(shì)阱深度大、與標(biāo)準(zhǔn)光纖兼容、表面開(kāi)放、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。比如，2004年理論上證明了將藍(lán)、紅失諧的兩束光同時(shí)沿著一根微納光纖傳輸，利用兩束光的倏逝場(chǎng)形成的光學(xué)勢(shì)阱，對(duì)冷原子實(shí)現(xiàn)靈活操控[8]，勢(shì)阱深度可達(dá)毫開(kāi)量級(jí)。2012年研究者使用該方案在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)銫原子的捕獲[9]，證實(shí)了該方案的可行性。

微納光纖的小直徑和大折射率差，可以顯著改變其表面微小空間中的光子態(tài)密度，用于研究和操控原子的輻射、吸收與散射等特性。同時(shí)，在微納光纖表面制作布拉格光柵等結(jié)構(gòu)，形成微小的光學(xué)諧振腔，其表面附近區(qū)域的原子或固態(tài)納米輻射體（比如量子點(diǎn)）發(fā)出的熒光，就可以被高效耦合進(jìn)入微納光纖，成為傳導(dǎo)模輸出，為原子發(fā)光/吸收特性研究、光纖量子光學(xué)器件等應(yīng)用提供了新的途徑[7]。隨著國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究組采用上述冷原子操控方案，微納光纖已經(jīng)逐漸成為冷原子物理研究的重要平臺(tái)之一。

超快光調(diào)制

超快光調(diào)制是光開(kāi)關(guān)、鎖模激光器、精密光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。要獲得超快（比如時(shí)間響應(yīng)達(dá)到皮秒或更快量級(jí)）調(diào)控能力，大多數(shù)情況下必須依賴光學(xué)非線性效應(yīng)。與標(biāo)準(zhǔn)光纖相比，微納光纖的波長(zhǎng)級(jí)模場(chǎng)約束能力，可以大大提高等效非線性系數(shù)以及傳輸光場(chǎng)與表面物質(zhì)的相互作用強(qiáng)度，減小所需的光纖長(zhǎng)度，降低獲得同等非線性效應(yīng)所需的光功率，因此，在光纖兼容的小尺寸、低功率、超快光調(diào)制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

2014年，研究者將20微米長(zhǎng)度的雙層石墨烯轉(zhuǎn)移到1.4微米直徑的微納光纖表面，獲得高非線性“石墨烯—微納光纖”復(fù)合結(jié)構(gòu)[10]，基于調(diào)制光脈沖與微納光纖表面石墨烯相互作用產(chǎn)生的飽和吸收效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光通信波段響應(yīng)時(shí)間約為2皮秒、調(diào)制能量約為1皮焦耳/脈沖的全光纖超快全光調(diào)制器，在調(diào)制速度、插入損耗等方面優(yōu)勢(shì)顯著。目前，該類微納光纖復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于超快光調(diào)制、材料特性研究及光學(xué)傳感等方面。

同時(shí)，根據(jù)傳輸光波長(zhǎng)選擇合適的微納光纖直徑，可以獲得很大的波導(dǎo)色散（絕對(duì)值比標(biāo)準(zhǔn)光纖大兩個(gè)數(shù)量級(jí)）[2]，為鎖模光纖激光腔提供光程短、插入損耗低、色散補(bǔ)償范圍大的色散補(bǔ)償方案，在較短的光纖激光腔內(nèi)獲得高重頻（100兆赫茲量級(jí)）、短脈寬（100飛秒量級(jí)）的超快激光脈沖輸出[11]。

已有研究結(jié)果表明，作為一種損耗低、模場(chǎng)截面小、色散可調(diào)幅度大、靈活度高、光纖兼容的微納光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，微納光纖在超快光信號(hào)處理、光纖激光器及非線性頻率轉(zhuǎn)換等方面具有良好的應(yīng)用前景。

新材料探索

除了上述技術(shù)和應(yīng)用之外，微納光纖由于尺寸小、結(jié)構(gòu)均勻、表面粗糙度低所帶來(lái)的光傳輸損耗低、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，還可以啟發(fā)及促進(jìn)我們對(duì)全新光纖材料的探索與研究。比如，我們能否把像玻璃一樣透明的冰做成光纖呢？常識(shí)告訴我們，冰是一種易碎的脆性物質(zhì)，無(wú)法像玻璃光纖一樣靈活彎曲。但是，如果把冰做成微納尺度的光纖呢？帶著這個(gè)疑問(wèn)，近年來(lái)，我們經(jīng)過(guò)大量探索，在電場(chǎng)誘導(dǎo)冰晶生長(zhǎng)方法中找到了合適的生長(zhǎng)條件，在更低的溫度（-50℃）、更低的水飽和蒸汽壓（約4帕）環(huán)境下成功生長(zhǎng)出近乎理想質(zhì)量的冰單晶微納光纖。這種冰光纖不僅能夠大幅度彈性彎曲，而且其彈性應(yīng)變（﹥10%）和強(qiáng)度（﹥1吉帕）實(shí)驗(yàn)值均可接近理論極限[12]，大大拓展了我們對(duì)冰的認(rèn)知邊界。同時(shí)，做成微納光纖的冰純度高、直徑均勻、表面粗糙度很低（約0.2納米），可以像玻璃微納光纖一樣實(shí)現(xiàn)低損耗光傳輸。進(jìn)一步通過(guò)測(cè)量低溫原位顯微拉曼光譜，在彈性彎曲冰微納光纖中發(fā)現(xiàn)冰的彎曲誘導(dǎo)相變新現(xiàn)象，為冰的相變動(dòng)力學(xué)等冰物理研究提供了新的實(shí)驗(yàn)方法。由于冰是宇宙中最普遍的固態(tài)物質(zhì)之一，理想冰單晶在紫外及可見(jiàn)光波段的本征吸收損耗遠(yuǎn)低于石英玻璃等光學(xué)材料，而且生物兼容、低溫穩(wěn)定，冰單晶微納光纖不僅改變了人們對(duì)冰的常識(shí)性認(rèn)識(shí)，還有可能為未來(lái)光信息技術(shù)、生命科學(xué)、宇宙探索等提供新方法、新技術(shù)。

總結(jié)與展望

從2003年我們首次實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)直徑微納光纖的低損耗光傳輸以來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多研究組對(duì)微納光纖及其相關(guān)技術(shù)開(kāi)展了大量研究，在上述微納光纖傳感器、冷原子操控、超快光調(diào)制及新材料探索等方面取得了系列重要進(jìn)展，其中微納光纖傳感器已經(jīng)接近實(shí)用水平，微納光纖冷原子操控已經(jīng)成為冷原子物理研究的重要技術(shù)方案。另外，除了上述方面，近年來(lái)，微納光纖在光力操控、納米表面等離激元光學(xué)、片上波導(dǎo)光纖耦合等方面也取得了較為突出的進(jìn)展。

展望未來(lái)，微納光纖所提供的微納尺度上的強(qiáng)約束、強(qiáng)倏逝場(chǎng)、開(kāi)放式導(dǎo)波光場(chǎng)，可以與冷原子、分子、聲子、極化激元等信息或能量載體有效耦合，將使微納光纖不僅可以作為光子波導(dǎo)，還可以同時(shí)作為傳輸及操控上述其他粒子或準(zhǔn)粒子的波導(dǎo)，為微納光子學(xué)及器件技術(shù)開(kāi)辟新的方向、提供新的可能。

[本文相關(guān)內(nèi)容由國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB2200 400）、國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目（11527901）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助。]

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關(guān)鍵詞：微納光纖 低損耗 倏逝波 近場(chǎng)耦合 光學(xué)傳感 ■