（光学专业论文）光波波长、纳米线间夹角以及纳米线直径相关的倏逝波耦合效率实验研究.pdf

中英文摘要 光波波长、纳米线间夹角以及纳米线直径 相关的倏逝波耦合效率实验研究 摘要 随着纳米科学与纳米技术的快速发展，纳米线的各种特性不断受到研究者的 青睐。将光波耦合进入纳米线是研究纳米线光学性能必须解决的一个问题。利用 倏逝波耦合，可高效地将光波耦合到纳米线中。因此，对纳米线倏逝波耦合进行 系统性的研究是非常有价值的。目前，两条平行纳米线倏逝波耦合模拟研究工作 已经有过报道，但还没有关于纳米线倏逝波耦合系统性详细实验工作的相关报道。 本论文通过实验，系统性地研究了纳米线倏逝波耦合效率。主要工作如下： l 、给出了一种测量两根不同夹角纳米线之间的倏逝波耦合效率的实验方法： 以光学显微镜的可旋转样品台作为倏逝波耦合的测量平台；通过两个微台将耦合 输入端纳米线固定在旋转台上：利用微调节架固定耦合输出端纳米线，通过显微 镜和微调节架，使得输出端纳米线逐渐靠近并垂直接触到输入端纳米线；通过缓 慢地旋转测试平台来旋转固定在平台上的耦合输入端纳米线，从而改变输出端纳 米线与输入端纳米线之间的夹角。在旋转过程中，通入波长和光强已知的光波， 通过测量倏逝波耦合后输出的光能量的大小，从而可得到两根纳米线在该波长， 不同夹角的情况下的倏逝波耦合效率。 2 、利用上述1 中的实验方法，通过系统的倏逝波耦合实验，得到了两根纳米 线间的倏逝波耦合效率与耦合光波的波长，两根纳米线间的夹角，以及纳米线的 直径之间的对应关系。实验中，采用拉锥制作的一根直径为8 0 0 纳米的二氧化硅 光纤作为耦合输出端，依次采用熔融拉锥制作的三根直径分别为6 4 0 纳米，7 9 0 纳 米，9 5 0 纳米的聚对苯二甲酸丙二醇酯( p t t ) 纳米线作为耦合输入端，耦合光波 依次采用5 种波长( 可见光：4 7 3 纳米，5 3 2 纳米，6 5 0 纳米；近红外光：1 3 1 0 纳 米，1 5 5 0 纳米) 。纳米线之间的夹角从9 0 度到0 度，每5 度一个变化步长，进行 倏逝波耦合实验。对于确定的夹角和确定的纳米线直径，采用波长较长的光波进 i v 中山大学硕士学位论文光波波长、纳米线间夹角以及纳米线直径相关的倏逝波耦合效率实验研究 行耦合，可得到较高的耦合效率；对于确定的耦合波长和确定的夹角，采用直径 较小的拉锥光纤进行耦合，可得到较高的耦合效率；对于确定的耦合波长和确定 的纳米线直径，采用较小的夹角进行耦合，可得到较高的耦合效率。实验中，当 拉锥二氧化硅纳米光纤直径为8 0 0 纳米，p t t 纳米线直径为6 4 0 纳米，耦合波长为 1 5 5 0 纳米，两根纳米线间夹角为零度时，得到了本实验中最大的耦合效率为7 8 。 关键词：纳米线，耦合效率，倏逝波耦合，特性，聚对苯二甲酸丙二醇酯( p t t ) v 中英文摘要 w a v e l e n g t h ，c r o s s a n g l e ，a n dd i a m e t e rd e p e n d e n c eo f c o u p l i n ge f f i c i e n c yi nn a n o w i r ee v a n e s c e n tw a v ec o u p l i n g a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n ti nn a n o s c i e n c ea n dn a n o t e c h n o l o g y , t h ec h a r a c t e r i z a t i o n o ft h en a n o w i r e si s b e i n gi n t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e d i n t h er e s e a r c ho fo p t i c a l c h a r a c t e r i z a t i o no ft h e s en a n o w i r e s ，a nu n a v o i d a b l ei s s u ei st ol a u n c hl i g h t so fd i f f e r e n t w a v e l e n g t h si n t ot h e s en a n o w i r e se f f i c i e n t l y e v a n e s c e n tw a v ec o u p l i n gc a ne f f i c i e n t l y s e n dl i g h ti n t oo rc o u p l el i g h to u to ft h en a n o w i r e s t h e r e f o r e ，i tw o u l db ev a l u a b l et o m a k es y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o no fe v a n e s c e n tw a v ec o u p l i n g w o r kh a sb e e nr e p o r t e do n t h em o d e l i n go fe v a n e s c e n tc o u p l i n gb e t w e e nt w op a r a l l e lo p t i c a ln a n o w i r e so n l y , a n d t h e r ei sn od e t a i l e dw o r ko nt h es y s t e m a t i ce x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h ec o u p l i n g e f f i c i e n c yi nn a n o w i r ee v a n e s c e n tw a v ec o u p l i n g t h i st h e s i sf o c u so nt h es y s t e m a t i c e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no ft h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yi nn a n o w i r ee v a n e s c e n tw a v e c o u p l i n g t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a ne x p e r i m e n t a lm e t h o do fm e a s u r i n ge v a n e s c e n tw a v ec o u p l i n ge f f i c i e n c y b e t w e e nt w on a n o w i r e sh a sb e e np r e s e n t e d t h er o t a t i o nd i s ko ft h eo p t i c a lm i c r o s c o p e w a st a k e na st h em e a s u r e m e n td i s ko fe v a n e s c e n tw a v ec o u p l i n g t h en a n o w i r eo ft h e c o u p l i n gi n p u te n dw a sf i x e db yt w om i c r o s t a g e ss u p p o r t so nt h er o t a t i o nd i s k t h e n a n o w i r eo ft h ec o u p l i n go u t p u te n dw a sf i x e db yap r e c i s i o nm a n i p u l a t o ru n d e ra n o p t i c a lm i c r o s c o p ea n dw a su s e df o rl i g h tl a u n c h i n g t h en a n o w i r eo ft h ec o u p l i n g o u t p u te n dw a sg r a d u a l l ya p p r o a c h i n gt i l lc o n t a c t i n gw i t ht h en a n o w i r eo fc o u p l i n g i n p u te n d r o t a t i n gt h ed i s ks l o w l y , d i f f e r e n tc r o s s a n g l e sb e t w e e nt h et w on a n o w i r e s w e r ef o r m e d a no p t i c a lp o w e ra n dw a v e l e n g t hk n o w nl i g h tw a sl a u n c h e di n t ot h e n a n o w i r eo ft h e c o u p l i n g o u t p u te n dd u r i n g t h ep r o c e s so fr o t a t i o n t h r o u g h m e a s u r e m e n to ft h ee v a n e s c e n tw a v ec o u p l i n go u t p u tp o w e r , t h ee v a n e s c e n tw a v e c o u p l i n ge f f i c i e n c ya tt h ec e r t a i nw a v e l e n g t ha n dc e r t a i nc r o s s - a n g l ew a so b t a i n e d 2 t h r o u g ht h em e t h o do fm e a s u r e m e n ta sa b o v e ，e v a n e s c e n tw a v ec o u p l i n g e f f i c i e n c ya td i f f e r e n tc a s ew a sm e a s u r e d t h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yd e p e n d e ds t r o n g l yo n v i t h el a u n c h e dw a v e l e n g t h ，t h ec r o s s a n g l ea n dt h ec o r e d i a m e t e ro ft h en a n o w i r e i nt h e e x p e r i m e n t ，a n8 0 0 一n n l d i a m e t e rs i l i c at a p e r e df i b e rw a su s e df o rl i g h tl a u n c h i n g t h r e e p o l y ( t r i m e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) ( p t t ) n a n o w i r e s ，w i t h6 4 0n n l ，7 9 0h i l l ，a n d9 5 0n n l d i a m e t e r s ，w e r eu s e df o rl i g h tt r a n s m i s s i o n f i v ew a v e l e n g t h s ( v i s i b l e ：4 7 3 ，5 3 2 ，6 5 0 n m ；n e a r - i n f r a r e d ：l310a n d15 5 0r i m ) w e r eu s e da st r a n s m i s s i o n s i g n a l s t h e d e p e n d e n c eo fc o u p l i n ge f f i c i e n c yw a si n v e s t i g a t e da tc r o s s - a n g l e sf r o m9 0 0t o0 0w i t h a5 。c h a n g i n gs t e p f o rf i x e dc r o s sa n g l ea n dn a n o w i r ed i a m e t e r , h i g h e rc o u p l i n g e f f i c i e n c yc a r lb ea c h i e v e db yl a u n c h i n gl o n g e ro p e r a t i n gw a v e l e n g t ho fl i g h t ，w h i l ef o r f i x e do p e r a t i n gw a v e l e n g t ha n dc r o s sa n g l e ，h i g h e rc o u p l i n ge f f i c i e n c yc a nb ea c h i e v e d b yu s i n gas m a l l e rd i a m e t e ro ft h en a n o w i r e ，w h i l ef o rf i x e do p e r a t i n gw a v e l e n g t ha n d n a n o w i r ed i a m e t e r ，h i g h e rc o u p l i n ge f f i c i e n c yc a l lb ea c h i e v e db yu s i n gas m a l l e rc r o s s a n g l e i nt h ee x p e r i m e n t ，t h em a x i m u mc o u p l i n ge f f i c i e n c yw a s7 8 ，w h i c hw a s o b t a i n e df o r15 5 0n n ln e a r - i n f r a r e d l i g h t a tz e r oc r o s s a n g l e ，b e t w e e n t h e 8 0 0 一n n l d i a m e t e rs i l i c at a p e r e df i b e ra n dt h e6 4 0n n ld i a m e t e rp t t n a n o w i r e k e yw o r d s ：n a n o w i r e ； c o u p l i n ge f f i c i e n c y ； e v a n e s c e n tw a v e c o u p l i n g ； c h a r a c t e r i z a t i o n ；p o l y ( t r i m e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) ( p t t ) v l i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 诵o j 醐：呷删胁日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 项。 醐：寸咖堋 i i 导师签名： 日期：呷年哆 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 颁0 铂z 二日 i i i 中山大学硕士学位论文光波波长、纳米线问夹角以及纳米线直径相关的倏逝波耦合效率实验研究 1 1 概述 第一章前言 1 9 6 9 年，美国贝尔实验室的s e m i l l e r 先生提出了光集成这一概念。按照 光集成的观点，对光信号的产生、传输与处理的方式上，用光导纤维代替金属导 线，用集成光路代替集成电路。在集成光路中，首先将各种光学元件集成在一块 基片上，再由晶片内部或表面上的光波导将其互连起来。光集成研究内容可分为 导波光学和集成光路两大类。导波光学主要研究光在波导介质中的产生、耦合、 传播和损耗等；以及与之相应的光波导器件，比如光耦合器【l 引、光分束器合波器 【4 卅、光开关【7 1 、光放大器【8 】和光调制器【9 1 等。集成光路则主要研究如何把各种光 波导器件集成在同一衬底上，形成具有一定功能的微型光学系统，以及改进和提 高这些微型光学系统的性能等。光集成拥有高速和器件多样化的优点，在光通信、 光信息处理、光测量、生物和化学传感等领域都有着极其广泛的应用。在集成光 路中，光子芯片和模块扮演着重要的角色，可以实现发送、存储、调制信号数据 等功能。 随着光电子器件纳米技术的飞速发展，信息社会对集成光路的集成度要求也 越来越高，促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。当材料的尺寸达到 纳米量级时，它们显示出独特的光学、电学和力学等特性。显然，这些性能对于 构筑小型化的功能器件和模块是十分有用的。系统的集成化对器件及其材料尺寸 的维度提出了纳微化的要求。因此，研究纳米材料光电性能成为光电子纳米材料 科学中最为热门的研究领域之一。光子器件的小型化不断受到研究者的青睐。亚 波长光子线1 3 】已经得到实现。近年来，半导体纳米线陋1 引，化学集成纳米线【1 9 , 2 0 l ， 有机物纳米线【2 1 2 2 1 ，聚合物纳米线2 3 。2 7 1 在纳米光子器件组装方面展现出的极大优 势在不断的得到证明。同时，许多国家已经投入巨大的资源来开发新型材料，发 展简易的制作工艺，降低光子学器件的尺寸和制作成本，以及提高器件的集成度 2 8 - 3 4 1 o 在这些光学纳米线，亚波长光子线，聚合物微纳器件，以及小型化光子器件 第一章前言 的研究探讨过程中，如何将不同波长的光高效地耦合到这些器件中是必须解决的 一个问题。我t f ln - - j - 采用端对端直接光学耦合 3 5 1 ，光栅耦合或者倏逝波耦合的方 法来耦合光波。而耦合光进入纳米线和纳米光子器件最有效的方法是使用拉锥光 纤进行的倏逝波耦合。然而，倏逝波耦合效率与耦合光波的波长，纳米线之间的 夹角，拉锥光纤直径以及测量纳米线的直径直接相关。目前，两条平行纳米线倏 逝波耦合模拟3 7 1 研究工作已经有过报道，但还没有关于纳米线倏逝波耦合系统性 详细实验工作的相关报道。因为纳米线倏逝波耦合效率与耦合光波长、纳米线间 夹角、纳米线直径相关。本论文主要报道拉锥光纤和聚合物纳米线间的倏逝波耦 合系统性实验研究，研究波长、夹角、直径与纳米线倏逝波耦合效率间的对应关 系。 通过自设计的实验装置，本论文系统性地研究波长、夹角、直径与纳米线倏 逝波耦合效率间的对应关系。耦合输入端采用的是一根8 0 0 纳米直径的二氧化硅 拉锥光纤。耦合输入端依次采用的是三根直径分别为6 4 0 n m ，7 9 0 n m ，9 5 0 n m 的聚 对苯二甲酸丙二醇酯( p t t ) 纳米线。耦合光波采用5 种波长( 可见光：4 7 3 纳米， 5 3 2 纳米，6 5 0 纳米；近红外光：1 3 1 0 纳米，1 5 5 0 纳米) 。从9 0 度到0 度，每5 度一个变化步长。耦合波长、纳米线间的夹角以及纳米线的直径与倏逝波耦合效 率之间的对应关系得到了系统性地研究。 1 2 光学耦合方法简介 随着光子器件的小型化不断受到研究者的青睐，作为基于光纤应用的光学系 统，常常涉及到光源与光纤、光纤与光纤等耦合问题，总的来说，光纤耦合方法 主要可分为以下三类：透镜聚焦耦合、端对端耦合和倏逝波耦合。其它非光纤耦 合还包括：光栅耦合、波导耦合等。本章节主要介绍这几种耦合的基本原理或基 本方法。 1 、透镜聚焦耦合 透镜聚焦耦合方式是指在光源和光纤之间加入某种透镜系统，在数值孔径匹 2 中山大学硕士学位论文光波波长、纳米线间夹角以及纳米线直径相关的倏逝波耦合效率实验研究 配的情况下，使得光源发出的光斑最大限度地会聚在光纤端面上，提高耦合效率。 在实际中，常用的透镜耦合有两种形式：一种是只使用一个透镜聚焦；另一 种是先用一个透镜准直，再用一个透镜聚焦，这两种耦合系统如图1 - 1 所示。 ( a ) ( b ) 1、掌等( y 一一一 一 图卜l 透镜聚焦系统( 引用自参考文献 3 8 1 ) ( a ) 单透镜耦合；( b ) 双透镜耦合。 在透镜耦合方式中，需要考虑选择透镜参数和耦合形式以获得较高的耦合效 率，通常采用大数值孔径的聚焦透镜来使光束尽可能的会聚。当选定透镜以后， 需要精确地调整物距和光纤放置的位置，尽可能地减小激光束与光纤的对准误差， 从而实现高效率的耦合。在参考文献【3 8 】中，该作者从理论和实验的角度，得出了 采用聚焦透镜耦合方式实现半导体激光器与传统光纤耦合的最大耦合效率，最大 耦合效率约为5 0 一6 0 ，图1 - 1 ( a ) 所示的系统的耦合效率小于图1 - 1 ( b ) 所 示的系统的耦合效率，这是因为如果单独用一个透镜耦合时，激光二极管输出光 波聚焦后的光斑形状是一种“类椭圆”形状，与单模光纤的圆对称光场分布存在 较大失配，而第二种耦合方式可利用棱镜把“类椭圆”形状的光斑较好地矫正成 圆对称形状，实现与单模光纤光场的匹配。 3 第一章前言 2 、端对端耦合 l v i v i e n 等人提出一种采用二维锥形波导实现s o i 微米波导与普通单模光纤 的端对端低损耗耦合连接”1 。这种二维锥体结构通过在水平和垂直方向上的尺寸 缓慢减少到某一数值，达到波导模式与光纤模式相匹配。当方形截面的尺寸减小 时，传导模式的直径随之增加，波导的有效折射率随之减小，使其与光纤芯层的 折射率相接近。 s q s 咖“o d “ ( b ) y ( c 3 x ( 1 i m ) $ 1 0 z h e = = 扛；= 2 _ ：二 ) 一。p ( _ 4 68 zc 岬；o ” 图卜2 ( a ) 锥形结构示意图( b ) 惟形结构波导模式示意图；( c ) 2 维 锥形渡导的3 维有限时域差分模拟能量分布图。( 引用白参考文献【3 9 i ) 图卜2 ( a ) 为二维锥形波导结构图，国中包括光纤和亚微米波导问的输入输 门 f i嘲i_li 中山大学硕士学位论文光波波长、纳米线间夹角以及纳米线直径相关的倏逝波耦合效率实验研究 出锥形连接。要达到较高的祸合效率，输入锥形波导中的传导模式必须与输入光 纤模式相匹配，输出锥形波导中的传导模式与输出光纤模式相匹配。图卜2 ( b ) 为三维视图，图中画出了电磁场随着锥形波导向外扩散的传播模式。通过优化二 维锥形波导结构，使其传导模式与光纤传导模式相匹配，从而实现低损耗端对端 耦合连接。图1 - 2 ( c ) 为2 维锥形波导的3 维有限时域差分模拟能量分布图，经 模拟得，输出锥形波导的最佳尺寸为1 5 5 1 5 5 n m 2 ，理论计算的耦合损耗低于 0 2 d b 。 采用这种新方案的主要优点是通过二维锥形波导使波导有效折射率和光纤芯 层的有效折射率相接近，大大降低接口处的反射损耗，而且锥形结构端面位置也 不需要精确控制。此外，由于减小尺寸时始终保持了锥形波导结构的对称性，对 电场偏振不敏感。与扩大波导直径的方法相比，这种方法避免了硅的局部外延性 生长方式，尺寸更小，制作方便，可以由电子束光刻和其他刻蚀方法制成。 3 、光栅耦合 j v g a l a n 等人于2 0 0 8 年6 月发表在i e e ep h o t o n i c st e c h n o l o g yl e t t e r s 上的一篇光栅耦合相关论文，提到一种从单模光纤到水平脊形波导的高耦合效率 光栅耦合器【4 0 1 。 耦合器设计图及相关参数如下图1 - 3 所示，对于波长为1 5 5 0 纳米的横磁偏振 光波，通过优化参数，得到了最大的耦合率。该器件得到了3 5 纳米，i d b 的光谱 响应带宽。 该论文还分别给出了光栅周期与光功率耦合效率对应关系的模拟结果，二氧化 硅b x o 厚度与光功率耦合效率对应关系的模拟结果，填充系数、蚀刻深度与光功 率耦合效率对应关系的模拟结果，倾斜角、水平光纤位置与光功率耦合效率对应 关系的模拟结果，以及光学优化与光功率耦合效率对应关系的模拟结果。 5 第一章前言 ( a ) ( b ) 鬻；鎏藜。一i 。 茜矗溢i l m l + lm mm1 1 2 舀翻暖日蕊麓l _ 簟ll 誓l 殛一 翻瞄盈蕊_ 壁一 “爨蔫i 薹爨譬。- u 耄i i e 正互芷一 蚓13 ( a ) 光栅耦台器结构设计图：( b ) 主要参数细节制。( 引用自参考文献【”1 ) 对于该论文设计的光栅耦合器，模拟得到的最大耦合效率分别为4 8 ( 正失 配) 和6 1 ( 负失配) ，其实现条件是对应于波长为1 5 5 0 纳米的横磁偏振光波，参 数达到最优化。如上图卜3 ( a ) 为光栅耦合器结构设计图。图卜3 ( b ) 为光栅 耦合器主要参数细节图。光栅耦合器制作工艺较复杂，适片j 波长范围较小。 4 、倏逝波耦合 t t u a n g 等人2 0 0 7 年3 月发表在a p p l i e do p t i c s 上的一篇平行纳米线倏逝波耦 合相关的理论模拟论文，利用有限时域差分法( f d t d ) 从理论上讨论了相互平行 的几种纳米线之间的强烈倏逝波耦合 ”i 。理论计算得到的耦合效率较高，最大耦 合效率达到9 0 以上。 十m 人学顿t 学位论女光波波k 、纳米线问夹角以及纳米线直释相关的倏逝艘描合敛$ 实验目f 究 ( a ) ( b ) a _ 里 b 。- 。嘲- _ _ - - c 。霸k - - i ：，气 1 0 0 9 0 8 07 06 05 04 0 3 0 2 012345 o v e r l a p p i n gl e n g t hl ( u m ) 圈卜4 ( a ) 两平行纳米线耦台的数学模型；( b ) 不同交叠k 度下两纳米线平行倏逝波 耦台能量传输图；( c ) 交叠长度与耦台教率对应关系图。( 引用自参考文献l j 7 j ) 如上图所示，图卜4 ( a ) 为两平行纳米线耦合的数学模型图卜4 ( b ) 为不 同交叠长度下两纳米线平行倏逝波耦合能量传输图，图1 4 ( c ) 为不同尺寸纳米 线之间，交叠长度与耦合效率对应关系图，右上角小图为两根纳米线的直径单 位为纳米。图卜4 ( c ) 为模拟计算的部分结果。该论文最后得出结论，相比于强 度较弱的波导耦合，强烈的倏逝波耦合提供了一种利用较小的耦合长度而不牺牲 高耦合效率的方法。强烈的倏逝波耦合为高效地将光波发送到纳米线，以及发展 高紧凑光子器件提供了良好的耦舍方法。 一f一分co石暑山口u300 c 第一章前言 1 3 本论文的选题及思路 随着纳米科学和纳米技术的飞速发展，纳米线以及纳米器件的各种特性不断 受到研究者的青睐，在纳米线以及纳米器件的光学性能的研究探讨过程中，如何 将不同波长的光高效地耦合到这些器件中是必须解决的一个问题。强烈的倏逝波 耦合可利用较小的耦合长度而不牺牲高耦合效率，同时为高效地将光波耦合到纳 米线，提供了一种良好的耦合方法。有鉴于此，倏逝波耦合在未来小型化微纳光 电子领域具有重要的潜在应用价值，因此，系统性地研究耦合波长、纳米线间夹 角、纳米线直径与纳米线倏逝波耦合效率之间的对应关系是非常有价值的。 在目前没有倏逝波耦合相关系统性研究报道的情况下，通过自己设计的实验 装置详细且系统性地研究了倏逝波耦合中，耦合波长、纳米线间夹角、纳米线直 径与纳米线倏逝波耦合效率之间的对应关系。同时给出一种可逐渐改变两根纳米 线交叠长度的简明的实验方法。通过逐渐改变夹角，可使得两根纳米线的交叠长 度逐渐减小至纳米线尺寸量级。实验中，以光学显微镜的可旋转样品台作为倏逝 波耦合的测量平台；通过两个微台将耦合输入端纳米线固定在旋转台上；通过微 调节架固定耦合输出端纳米线，通过显微镜和微调节架，使得输出端纳米线逐渐 靠近并垂直接触到输入端纳米线；通过缓慢地旋转测试平台来旋转固定在平台上 的耦合输入端纳米线，从而改变输出端纳米线与输入端纳米线之间的夹角。在旋 转过程中，通入波长和光功率已知的光波，通过测量倏逝波耦合输出光能量的大 小，从而可得到两根纳米线在该波长，不同夹角下的倏逝波耦合效率。耦合输出 端采用的是直径为纳米量级的二氧化硅拉锥光纤。耦合输入端采用的是三根直径 在纳米量级，且直径各不相同的聚对苯二甲酸丙二醇酯( p t t ) 纳米线。用于耦合 的光波采用5 种波长( 可见光：4 7 3 ，5 3 2 ，6 5 0 纳米；近红外光：1 3 1 0 ，1 5 5 0 纳 米) 。从9 0 度到0 度，每5 度一个变化步长，夹角与耦合效率的依赖关系得到了 充分的研究。本论文主要采用了三种尺寸p t t 纳米线，具体包括6 4 0 纳米，7 9 0 纳 米，9 5 0 纳米。实验表明波长，夹角角度，纳米线直径与倏逝波耦合效率具有严格 的对应关系。 本论文是按照内容对章节进行安排：第一章、光学耦合方法简介；第二章、 倏逝波耦合实验介绍；第三章、倏逝波耦合实验结果及分析；第四章、实验结论。 通过四章内容介绍了本论文相关的纳米线倏逝波耦合实验的全过程。本论文第一 8 中山大学硕上学位论文光波波长、纳米线间夹角以及纳米线直径相关的倏逝波耦合效率实验研究 章是介绍并简单比较几种基本的光学耦合方法，得出倏逝波耦合在纳米线研究中 具有重要意义。第二章介绍倏逝波耦合中需要用到的纳米线的制备，以及实验装 置的设计，实验设备的选择，实验步骤的制定等相关工作。第三章给出了实验所 得到的电子显微镜图像、光学显微镜图像，以及纳米线倏逝波耦合效率与耦合波 长、纳米线之间的夹角、p ，r t 纳米线直径之间的对应关系图，同时对所得数据进行 了分析研究。本论文的工作通过对耦合波长、纳米线问夹角、纳米线直径与纳米 线倏逝波耦合效率之间的对应关系，进行系统性的实验研究，得出了实验结果。 第四章给出本文的主要结果和结论，以期对纳米线倏逝波耦合未来在光学领域的 应用提供实验支持。 9 第二章纳米线的制备及倏逝波耦合实验设计 第二章纳米线的制备及倏逝波耦合实验设计 2 1 引言 对于本文需要探讨的纳米线倏逝波耦合实验，其主要难点在于：一、纳米线 的制备；二、实验设备的选择以及实验装置的设计；三、纳米线的显微操作。本 章的主要内容是解决好以上三大难点，并给出详细的实验步骤。 首先，选择合适的材料制作出性能良好的纳米线，并能对其进行显微操作是 进行后续实验的前提。倏逝波耦合实验用到的耦合输出端纳米线是将童利民小组 的光纤拉锥法简化后，拉制的二氧化硅光纤纳米线，耦合输入端是采用本小组前 期拉制方法熔融拉制的p t t 纳米线。 其次，必须将各种光波，包括红光( 6 5 0 纳米) 、绿光( 5 3 2 纳米) 、蓝光( 4 7 3 纳米) 、近红光外光( 1 3 1 0 纳米和1 5 5 0 纳米) ，耦合至纳米线倏逝波输出端中，即 须要有与光源接口相匹配的光纤，并且光纤的另一端能够制作成纳米线。 再次，必须搭建一个可观察测量倏逝波耦合且能够对纳米线进行显微操作的 的实验平台，准备相关的测量仪器。通过纳米线倏逝波耦合，光波被耦合到倏逝 波输入端的纳米线上，并继续传播，须要对输入端末端光波能量大小以及输出端 纳米线耦合前的光波能量大小进行测量。最后通过计算得出某一确定条件下，纳 米线间的倏逝波耦合效率。依次改变各项实验条件，包括耦合光波波长、两纳米 线间的夹角、纳米线的直径，重复上述测量过程，即可得到倏逝波耦合效率与光 波长、纳米线夹角、纳米线直径之间的对应关系。 i o 十女学碰学位论zm 城城k ，纳* 线目去月“* 米线直径# * 馔逝破* o a $ g n 研究 | 冬f 2 一l 本小组实验室部分蹬备图 如上图，图2 一l 为本小组实验室部分设各照片，除电子显微镜相关实验部分外， 本| 文涉及到的其它实验均在本小组实验审内完成。本论文相关实验用到的实验 设备主要有：非接触三维测量仪、微调节架、三套可见光源、套打外可调光源、 光功率计、聚合物熔融拉锥装置、光纤拉锥装置等。 2 2 纳米线的制备 对于倏逝波耦合实验，选择合适的材料并制作出性能良好的纳米线是进行后 续实验的前提。本小竹的工作是给出纳米线倏逝波耦台实验所需的纳米线的制备 方洼并制备出实验中需要用到的耦合输出端纳米线和耦合输入端纳米线。 22 1 拉锥纳米光纤的制各 通过大量地阅读相关论文，从奄利民小组2 0 0 3 年在n a t u r et 发表的论文【”】 中，找到了种适合的纳米线制各方法，并应用在本论文的相关实验中。通过对 奄利民小组的两步骤尖端拉伸法进行简化，利用普通酒精灯外焰加热二氧化硅光 第= 章纳米线的制需厦慢逝漱描台实验设计 纤约3 分钟，可使得二氧化硅处于熔融状态，快速拉伸，经过多次练习，操作熟 练后，即可从普通二氧化硅光纤中拉制出直径小于l 微米的拉锥纳米光纤。 图2 - 2 为按如上所述的拉锥方法拉制的纳米光纤。图2 - 2 ( a ) 为拉制出的一根 直径为8 0 0 纳米的光纤扫描电了显微镜图像，图22 ( b ) 为拉制出的一一根直径为 5 8 0 纳米的光纤光学显微镜图像。由下图可知，按火焰熔融持伸法从普通单模二氧 化硅光纤中拉制出直径1 微米以下的拉锥纳米光纤是不难实现的。且拉伸得到的 二氧化硅拉锥纳米光纤均匀性较好。 图2 - 2 利用火焰熔融拉伸注，制备小的一氧化硅扣锥纳米光纤l j f j 像； a ) 拉锥光纤扫描电子显微镜( s 脚) ，璺| 像；( b ) 拉锥光纤光学显微镜 j i 像 中m 人学顾l 岸位论z光被涟k 、纳线目夹角h 纳米线直静相* 的饿逝波耦合做串实验日f ， 在二氧化硅拉锥光纤的制各过程中所采用的是二氧化硅单模光纤，其拉制的光 纤纳米线在可见光及红外光波段光学损耗较小导光性能较佳。对于不同尺寸的 拉锥光纤纳米线，其各种光学参数在参考文献 ”】中有详细介绍。井且，标准二氧 化硅光纤具有在各种光学设备中通用的光学标准接口，因此在倏逝波耦合实验中， 采用二氧化硅光纤纳米线作为倏逝波耦合的输出端是比较合适的。 圈2 - 3 二氧化群单模光纤j ! 片 图2 - 3 为实验中采用的二氧化硅拉锥光纤照j ，在实验过程中，采用一端( a 端) 是标准光纤接口，连接到各种光源卜将光波从光源中导出，另一端( b 端) 为通过火焰拇锥法制作的拉锥纳米光纤( 光纤塑腔保护套和包层在托制i i f r 已被剥 掉) ，作为倏逝波输出端，将从光源导出的光波以倏逝波的形式耦台到输入端纳米 线中。在奉论文的倏j 越波耦台实验中，采用这种方法拉制的拉锥光纤作为倏逝波 羯合的输出端是非常有利的。 2 2 2 聚合物p r r 纳米线的制备 同拉锥纳米光纤相比，聚台物纳米线具有良好的机械性能，特别是弹性和柔韧 性非常好，适合作为纳米线倏逝波耦台的输入端。作为新型聚合物中的一种，聚 第一帝纳米线的制需艘债逝被锅台尘特设计 对苯二甲酸丙二醇酯( p t t ) 具有良好的性能。p t t 是由1 ，3 一丙二醇( p d o ) 和 对苯二甲酸( t p a ) 缩聚制成的芳香族聚台物，其分子结构为4 ： “_ ( 一。一o g c ：i ! ：! ! ! ：0 9 一。c 一：c “：c 一： p t t 的分子结构由刚性的苯环、柔性的弧甲基和极性的酯基组成。由于p t t 分子的 独特结构，其甲基呈螺旋排列，分子链呈“z ”字形状，易r 结晶但不能发生品型 转变，表现出了独特的机械、光学和电学等性能【4 1 - 5 5 1 ，如：p t t 具有较高的强度及 优良的回弹性和柔韧性；p t t 的m t 热性比较好，熔体温度和模塑温度低结晶速率 快等j j u 工优势；从可见到近红外波段，非品态的p t t 具有极好的透光性能。p t t 的 折射率为16 3 8 ，町以提供良好的光限制。 日酊聚台物纳米线的制作方法主= 要有：化学合成法郾” ，激光烧蚀法】，静电 纷丝法，微纳吸管或近场探针拉制法“j 、尖端阵列法。 选取适当的聚合物纳米线制作方法，是得到理想纳米线的自“提。 本小组已鲐埘制作p t r 纳米线进行了前期的研究工作。32 ，得到了比较理想的 结果。通过熔融拉锥注口“1 i i l $ 0 备出较理想的p t t 纳米线。图24 为熔融拉锥沾 制作p t t 纳米线示意图。 耐高 s i o ，锥尖 p t t 纳米线j 熔融态p t t 、 方向 加热中的铁板 幽2 - 4 熔融拉锥法制作p t t 纳米线示意图 洲 、r m 中山大学硕士学位论文 光波波长、纳米线间夹角以及纳米线直径相关的倏逝波耦合效率实验研究 聚合物( p t t ) 纳米线具体制备过程为：在一个温度可控制的铁板表面放置一 张耐高温的薄膜，将聚合物( p t t ) 颗粒放在薄膜上，将铁板加热至2 4 0 0 c 左右时， p t t 颗粒开始融化，拉制的过程中保持加热铁板表面的温度在( 2 5 0 1 0 ) o c 。接 着，将直径为1 2 5 微米的二氧化硅棒或细铁棒的末端靠近并且浸入熔融态的聚合 物或者聚合物溶液中：然后，将二氧化硅棒或铁棒以o 卜l 米每秒的速度竖直或 倾斜上提，这样在棒的末端与熔融态聚合物p t t 之间形成延伸的聚合物纤维：最 后，延伸的p t t 纤维在空气中迅速淬火，形成一条空气包裹的非晶态p t t 纳米光 纤。我们也可以利用二氧化硅锥或铁尖锥来拉制聚合物纳米光纤，拉伸的方向也 可以是竖直或倾斜方向。 通过本小组前期的相关工作 2 3 , 2 4 1 可知，通过以上熔融拉制的方法，p t t 纳米 线样品的均匀性较好，外表面较为光滑，直径可达到1 0 0 纳米以下，纳米线长度 可达到2 0 0 毫米以上。 综合p t t 的特性和熔融拉制的p t t 纳米线相关特性，在本实验中采用p t t 熔 融拉锥制作的纳米线作为倏逝波耦合的输入端是十分有利的。因此，在本文的倏 逝波耦合实验中采用熔融拉锥法拉制的p t t 纳米线作为倏逝波耦合的输入端。 2 3 实验设备与实验步骤 对于本文研究的倏逝波耦合实验，必须对纳米线进行显微操作，因此采用合 适的实验设备，并设计合理的实验装置，是完成实验的必要条件。本小节的工作 是选择合适的实验设备，设计出合理的实验装置，并给出实验步骤。 2 3 1 实验设备 在倏逝波耦合实验中，利用非接触三维测量仪( 包括带c c d 相机的显微镜) 的可旋转样品台作为测试平台。如下图2 - 5 ( a ) 为实验中采用的非接触三维测量仪。 实验中，将p t t 纳米线用自制的玻璃微台固定在非接触三维测量仪的可旋转样品 台上，通过缓慢旋转样品台，达到旋转p t t 纳米线的目的，从而改变p 1 l t 纳米线 与拉锥光纤之间的夹角。 第二章纳米线的制蔷投倏逝城耦台实验设计 圈2 - 5 ( b ) 为k o h z u 调节架，实验中采用k o h z u 调节架来固定并微调二氧化 硅拉锥光纤，使得拉锥纳米光纤进入显微镜视场，并逐渐靠近阿t 纳米线，当两 者距离足够近时，由于范德瓦尔斯力和静电吸引力的作用，拉锥光纤与p t t 纳米 线可稳定地接触到一起，在改变角度的过程中，拉锥光纤与p t t 纳米线的接触点 的相对位景! 保持不变。 蚓2 - 5 实验中用剑的测试台厦l 刊定光纤的调协架： a ) 1 f 接触二维测带仪：( b ) k o h z u 调口架，1 f 接触二维测苗仪的旋转台 中山 学砸学位论文光艘波长，纳米境同央角以及纳米线直径相关蜉唤逝渡祷台教串实验研究 实验中使用到的光源采用如下图2 - 6 所示，图2 - 6 ( a ) 为可见光光源，三种 可见光( 4 7 3 纳米、5 3 2 纳米、6 5 0 纳米) 分别由三套圈2 6 ( a ) 所示光源提供。 图2 - 6 ( b ) 为红外光光源，因为，图2 - 6 ( b ) 所示红外光光源光波长可调节，实 验中用到的两种红外光( 1 3 1 0 纳米、1 5 5 0 纳米) 均由该光源提供。 国2 - 6 实验中用到的光源 ( a ) 可见光光源；( b ) 红外光光源 实验中，采用光功率计来测量倏逝波输入端纳米线( p i t 纳米线) 输出的光功 第一章纳米线的制并艟倏逝耥0 盛验殴计 率。在进行倏逝波耦合前，将通光的二氧化硅光纤的拉锥端直接插入光功率计， 可得到耦合前倏逝波光功率的太小。耦台进入p t t 纳米线的光功率的太小除以耦 合前倏逝波光功率的太小即可得到倏逝波的耦台效率值。围2 7 为实验中使用过 的光功率训。 剀2 7 带微分球探头的光功率计 图2 7 为带积分球探头的) 匕j j j 率计。使片 过程中打丌积分球探头的保护盖， 将