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本文报道了一种基于微纳光纤中双模式干涉的亚波长聚焦方法. 利用微纳光纤中两种特定导模在微纳光纤端面处的干涉效应, 在微纳光纤端面出口处获得了具有单焦点或多焦点的聚焦光场, 并可通过调节两个模式之间的相位差、功率比分别实现聚焦光场的焦深、焦斑相对强度调谐, 从而实现对纳米颗粒可调谐的选择性捕获. 根据聚焦光场中不同焦点处所对应的捕获刚度和势阱深度的不同, 可以对不同大小的纳米颗粒实现分类. 这种微型化全光纤的亚波长聚焦方法, 将可应用于操纵纳米颗粒、超分辨率光学成像和纳米光刻等领域.

关键词:

Abstract

The ability to focus light on a subwavelength scale is essential in modern photonics. Optical microfiber-based sub-wavelength focusing will allow a miniaturized, flexible and versatile tool for many applications such as biomedical imaging and optomechanics. For a separate mode exited from an optical micro-/nanofiber endface, the photons will experience significant diffraction into the free space. This situation can be changed by incorporating two-mode interference along with the specific spatial distributions of both E-field amplitude and phase. Herein we report a novel approach to realizing sub-wavelength focusing based on the two-mode interference exited from an optical microfiber endface. By utilizing specific distributions of E-field amplitude and phase of two interacting optical modes, interference field patterns with a single focus (e.g., via a two-mode set of HE ₁₁and HE ₁₂) or multiple foci (e.g., via a two-mode set of HE ₁₁and HE ₃₁) can be obtained. Then, it is proved that the constructed foci will readily facilitate and selective trapping of nanoparticles. Circular polarization of optical mode is utilized in order to bring in angular symmetry of sub-wavelength focusing patterns compared with linear polarized optical modes. Our simulation results show that the smallest focal spot produced from the EH ₁₁and HE ₁₂mode interference has a full width at half-maximum (FWHM) of ~ 348 nm (i.e. 0.65 λ). Such a subwavelength focusing field is applied to the optical trapping of an 85 nm-diameter polystyrene nanosphere. Further calculation reveals that the stable trapping can be fulfilled with axial and transverse trap stiffness of 11.48 pN/(μm·W) and 64.98 pN/(μm·W), as well as axial and transverse potential well of 101 k _BT/W and 641 k _BT/W via two-mode interference of HE ₁₁and HE ₁₂. These values demonstrate the great improvement over conventional tapered fibers. Further investigations show that different foci, via a two-mode set of HE ₁₁and HE ₃₁, exhibit unlike trap stiffness and potential wells, justifying the potential for nanoparticle size sorting. Based on the flexible all-fiber device, this subwavelength focusing strategy by two-mode interference may find promising applications in optical manipulation, superresolution optical imaging, data storage and nanolithography.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:虞华康,hkyu@scut.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 12174116)和广东省科技计划(批准号: 2020B010190001)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author:Yu Hua-Kang,hkyu@scut.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12174116) and the Science and Technology Project of Guangdong Province, China (Grant No. 2020B010190001).

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施引文献

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模式组合	模式1的分布特点		模式2的分布特点		聚焦光斑的分布特点
模式组合	\|E\|	Re(E_x)	\|E\|	Re(E_x)	\|E\|	最小半高宽	工作距离/μm
HE₁₁+EH₁₁	类高斯	类高斯	类8字型圆环	略相连的四瓣区域	椭圆形	0.83λ	0.38
HE₁₁+HE₃₁	类高斯	类高斯	空心圆环	独立的四瓣区域	双焦点	0.97λ	0.67
EH₁₁+HE₃₁	单一圆环	略相连的四瓣区域	空心圆环	独立的四瓣区域	四焦点	0.78λ	0.10
HE₁₁+HE₁₂	类高斯	类高斯	同心双环	同心双环	类高斯	1.21λ	0.35
EH₁₁+ HE₁₂	单一圆环	略相连的四瓣区域	同心双环	同心双环	三明治形	0.65λ	0.3
圆偏振态 HE₁₁+EH₁₁	—	—	—	—	类高斯	1.77λ	0.40

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模式组合	颗粒横向位置(x,y)/μm	平衡位置/μm	U_x/y/(k_BT·W^–1)	U_z/(k_BT·W^–1)	κ_x/y/(pN·μm^–1·W^–1)	κ_z/(pN·μm^–1·W^–1)
HE₁₁+EH₁₁	(0, 0)	0.58	159	80	2.22/24.66	3.57
HE₁₁+HE₃₁	(±0.41, 0)	0.77	99	25	11.53	4.0
EH₁₁+HE₃₁	(0, ±0.5)	0.34	179	26	14.64	1.34
HE₁₁+HE₁₂	(0, 0)	0.43	641	101	64.98	11.48
EH₁₁+ HE₁₂	(0, 0)	0.30	288	38	88.07	10.11
圆偏振态 HE₁₁+EH₁₁	(0, 0)	0.43	185	79	17.6	4.1
^a)捕获颗粒为PS小球, 直径85 nm; ^b)U_x/y和U_z分别为横向和纵向的势阱深度;κ_x/y和κ_z分别为横向和纵向的捕获刚度.

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结构	光波长/nm	半高宽/nm	工作离距/μm	文献
微球透镜	800	678 (0.85λ)	8	[1]
中空微管道	671	435 (0.65λ)	1.47	[23]
普通单模光纤超透镜	690	280 (0.41λ)	18	[30]
普通单模光纤超透镜	660	360 (0.54λ)	50	[37]
光纤锥	808	840 (1.04λ)	3	[27]
光纤锥微透镜	808	208 (0.26λ)	0.48	[27]
普通多模光纤微透镜	980	350 (0.36λ)	15	[36]
本工作	532	348 (0.65λ)	0.4	—

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结构	尺寸/nm	U_x/y/k_BT/W	U_z/(k_BT·W^–1)	κ_x/y/(pN·μm^–1·W^–1)	κ_z/(pN·μm^–1·W^–1)	文献
光纤锥	85	150	70	22	4	[27]
光纤锥微透镜	85	500	240	310	60	[27]
普通单模光纤超透镜	2000	—	—	90	8	[37]
普通多模光纤微透镜	200	4.6×10³	6.3×10³	720	250	[36]
本工作	85	641	101	64.98	11.48	—
^a)文献[37]捕获的颗粒为SiO₂球, 其余文献的捕获颗粒为PS小球; ^b)U_x/y和U_z分别为横向和纵向的势阱深度;κ_x/y和κ_z分别为横向和纵向的捕获刚度.

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