近場光鑷中光纖探針結構參數的優化

陳淑清，楊秀麗，潘春祥，劉鐵軍

（空軍航空大學 基礎部，吉林 長春 130025）

0 引 言

激光近場光鑷是近年發展起來的一種微測量與操作系統，它可實現對樣品的非接觸、無損傷微／納操作。物體表面亞波長區域（近場區域）內存在一種迅速衰減的隱失場，該局域隱失場在近場區域內起主導作用［1］。微粒置于隱失場時能將該隱失場轉化為傳播場，在轉化過程中光子動量發生改變，相應的微粒的動量也發生改變，從而對微粒產生力的作用［2］。激光近場光鑷即利用光纖探針針尖附近的局域隱失場來對微粒進行納米操作，該方法可以突破衍射極限，有可能實現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場光鑷中那種背景干擾現象。在納米操作系統小型化和集成化的趨勢下，與遠場光鑷相比，激光近場光鑷更易集成于系統之中，因此，該方法將成為納米微粒和生物單分子最強有力的操作工具之一。

雖然已有文獻對近場光鑷中的某些理論問題進行了研究，并得到了一些具有指導意義的結論，但所提供的信息還不足以透徹地理解光纖探針的場傳播與分布特性，特別是對光纖探針結構參數的優化分析很少［3－6］。由于光與物質間主要是電場在起作用，因此電場的分布特性決定了光纖探針的近場光學特性，而錐形鍍膜光纖探針的入射波波長、出射孔徑、錐角和金屬膜厚度是決定電場分布的主要因素。因此，為獲取最優的光纖探針結構，文中應用三維FDTD計算方法進行三維空間的數值仿真，分析了各參量對近場光學特性的影響規律。

1 優化模型

鍍膜光纖探針優化模型如圖1所示。

圖1 錐形鍍膜光纖探針優化模型

探針長度 H＝600nm，大端直徑φ1＝700nm，針尖出口孔徑φ2＝100nm，纖芯為SiO2，介電常數ε＝2.25，折射率n＝1.5，光纖外層的Al厚T＝80nm，其導電率σ設為無限大。假設入射光為波長λ＝632.8nm的均勻平面波，其波函數為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方程的一種數值解法，它能直接在時域進行計算，物理圖像清晰，可模擬各種復雜的電磁結構，具有廣泛的適用性，并且對同一問題與其它方法相比，能節約存儲空間和計算時間［7－8］。計算中將針尖孔徑中心設為坐標原點，將整個所需計算的三維空間劃分為100×99×130個網格單元陣列，每個單元格在x，y，z坐標方向的網格空間步長分別為Δx＝Δy＝Δz＝10nm，時間步長為Δt＝Δx／2c，其中c為真空中的光速。

2 鍍膜光纖探針優化分析

近場光鑷中探針尖端出射的光強越大越好，故通過計算電場隨不同波長λ、孔徑φ2、錐角θ和金屬膜厚度T的變化情況來對光纖探針的結構參數進行優化選擇。在其它參量相同的情況下，x＝0平面和z＝0平面上總電場｜E｜隨不同波長的變化情況如圖2所示。

圖2 不同波長下電場總量的分布結果

從圖中可以看出，波長越大，則光在這段波導中形成的駐波場越強，從探針尖端出射的光強越小。當入射波波長λ＝1 523nm時，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，故針尖出射端光強很小。

不同出射孔徑下總電場｜E｜的分布如圖3所示。

從圖中可以看出，隨著孔徑的增大，探針內駐波變弱，截止平面與探針尖端距離也變小，從而出射光場強度與范圍均變大，產生的隱失場范圍也更寬。當孔徑φ2為200nm時，小于截止直徑部分的探針長度最小，因此其出射光場強度最大。隨著孔徑增大，駐波分布圖樣趨于對稱，故探針內駐波分布與光纖探針的尺寸有一定關系。

圖3 不同孔徑下電場總量的分布結果

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

圖4 不同錐角下電場總量的分布結果

從圖中可以看出，探針孔出射電場隨角度增大而增大。當光進入鍍有金屬膜的光纖探針時，根據波導理論，隨探針孔徑逐漸減小，各種模式波逐個被截止。在光纖探針直徑等于TE11模截止直徑的情況下，該位置處的光強達到最大值，除一部分光在截止平面發生反射外，另一部分光穿過截止平面以指數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，在較短截止區的作用下，探針尖端的出射光場變強，近場分布變得集中。

總電場｜E｜隨不同膜厚的變化情況如圖5所示。

圖5 不同膜厚下電場總量的分布結果

探針內電場分布保持不變，出射電場強度亦不變，但膜層越薄，則膜層外側近場增強現象越明顯。在計算時假設金屬膜為理想導體，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對近場分布產生一定的影響。根據光纖探針各縱截面上光場的分布情況可知，電磁波從探針針尖出射后會繞射到金屬膜外表面，到達金屬膜外側后，在金屬膜的棱角處由于尖端效應，將出現二次近場增強現象。從探針金屬膜外側電場分布圖來看，當膜厚T＝200nm時，金屬膜外側的近場增強幾乎可以忽略。

3 結 語

針對近場光鑷中鍍金屬膜光纖探針的結構優化，采用三維FDTD方法計算了不同波長、孔徑、錐角和金屬膜厚度下總電場的變化情況。從結果可以看到，選擇較小入射波長、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增強效應。該計算就近場光鑷光纖探針近場特性方面進行了有益的探索和嘗試，對光學探針的制作及其性能的改善將具有重要意義。

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