表面等离激元光纤探针器件的基本原理、实现方法和应用进展
文章导读
光纤探针器件由于其平整的端面结构在众多光纤器件中表现出更加突出的易于功能化、紧凑性和鲁棒性优势，为各类光纤网络在线兼容的应用提供了强大的平台。其中，表面等离激元功能化的光纤探针器件将强光场局域的金属纳米功能单元与紧凑的光纤探针结合，成为多种主动或被动纤上器件的基础。
西安交通大学张磊研究员与杜波波副教授团队综述了表面等离激元功能化光纤探针器件的基本原理、实现方法和应用进展，主要介绍了端面兼容的表面等离激元功能单元结构，回顾了制备表面等离激元功能化光纤探针器件的几类典型方法，探讨了表面等离激元光纤探针在生化检测、光场调控及非线性光学等领域的应用现状，深入分析和比较了各类表面等离激元纳米结构的性质及制备方法的优缺点。最后，本文从结构设计、加工制备和应用场景等方面对表面等离激元光纤探针面临的困难和未来发展趋势进行了展望。该工作以“Plasmonic Functionality of Optical Fiber Tips: Mechanisms, Fabrications, and Applications”为题在 Materials 期刊上发表，论文第一作者为西安交通大学杜波波副教授，通讯作者为杜波波副教授、张磊研究员，张彦鹏教授也参与了本文的工作。
研究过程与结果
首先，本文总结了传统型表面等离激元谐振的基本原理。指出：传统的以 Kretschmann 型耦合结构为代表的表面等离激元器件，依赖于斜入射光通过棱镜耦合实现光子与表面等离激元极化子之间的动量匹配，因此本质上不适用于近正入射条件激发的光纤端面结构。
图 1. 基于 Kretschmann 耦合结构的表面等离激元谐振示意图和谐振条件
基于此，本文进一步探讨了各类型金属纳米颗粒及对应阵列结构的光学性质。金属纳米颗粒及阵列结构可在任意入射角度和偏振态光激发下支持局域化的表面等离激元模式，产生近场“热点”效应，非常适合于光纤端面集成、构建表面等离激元功能化光纤探针器件。
图 2. 典型的金属纳米颗粒及阵列结构示意图
其次，本文总结了典型的表面等离激元型光纤探针的制备方法，包括“自下而上”和“自上而下”的制备方法。具体有自组装法、纳米球刻蚀，聚焦离子束刻蚀、电子束刻蚀、纳米压印刻蚀、转移法。其中转移法有望结合各类制备方法的优势，扬长避短，在表面等离激元型光纤探针制备上应用广泛。
图 3. 转移法制备表面等离激元型光纤探针
此外，本文介绍了一些基于表面等离激元型光纤探针的应用进展，主要有生化传感 (特别是气体检测)、光场调控、非线性效应和激光产生等。随着设计理论和制备技术的发展，表面等离激元型光纤探针器件的应用正不断拓展。
图 4. 基于表面等离激元型光纤探针的应用
研究总结
在过去二十年，表面等离激元型光纤探针技术取得了显著进步且已经展示了在集成光电领域非常有吸引力的应用潜力。然而，表面等离激元型光纤探针的发展还面临一些挑战，本文提出了未来可重点关注的研究方向：
- 通过进一步改进转移法，集成多种微纳结构制备方法的优势，实现多样化和更加灵活的表面等离激元功能化光纤探针。
- 由于金属纳米结构本征的欧姆损耗，表面等离激元型结构的信号强度和品质因数受到制约，材料和结构仍有优化空间。例如近年来受到关注的塔姆等离激元结构有望为实现高品质因数的光纤探针提供可能。
- 到目前为止的等离激元型光纤探针仍以被动型为主，一旦制备后性能和应用场景相对固定，主动性等离激元光纤探针有望克服上述缺陷。
- 等离激元型光纤探针设计时涉及材料、结构、光纤选择等等参数，人工优化已经逐渐不能满足技术发展的要求，机器学习方法会为等离激元型光纤探针设计带来新的可能。
原文出自 Materials 期刊
Du, B.; Xu, Y.; Zhang, L.; Zhang, Y. Plasmonic Functionality of Optical Fiber Tips: Mechanisms, Fabrications, and Applications. Materials 2023, 16, 3596. DOI: 10.3390/ma16093596
主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada
主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料，能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征，建模等。
- 2022 Impact Factor: 3.4
- 2022 CiteScore: 5.2
- Time to First Decision: 14.7 Days
- Time to Publication: 38 Days