Photonics Insights 2024年第1期综述：
论文信息：Jianbin Zhang, Hubiao Fang, Pan Wang, Wei Fang, Lei Zhang, Xin Guo, Limin Tong. Optical microfiber or nanofiber: a miniature fiber-optic platform for nanophotonics[J]. Photonics Insights, 2024, 3(1): R02
微纳光纤作为连接微观世界与宏观世界的桥梁，其在近场光学耦合、非线性光学、光力学等领域的应用，正逐渐改变着我们对光学技术的认知。近日，应Photonics Insights创刊主编邀请，浙江大学童利民教授、郭欣教授团队撰写了题为“Optical microfiber or nanofiber: a miniature fiber-optic platform for nanophotonics”的长篇综述，发表于Photonics Insights 2024年第1期。
该综述深入剖析了微纳光纤的历史沿革与演进轨迹，详细解读了其基本结构、制备方法及表征技术，同时还重点阐述了微纳光纤独特的光学导波特性，并对其力学特性进行了概述。不仅展示了微纳光纤在光学传感器、光纤激光器以及原子光学等领域的卓越表现，还对其未来的发展潜力和面临的挑战进行了总结与展望。
英国阿斯顿大学Michael Sumetsky教授特此为该综述撰写了点评论文——“Optical micro/nanofibers: achievements and future directions”，高度评价道“这是一篇全面且极具前瞻性的回顾，其深度与清晰度使其成为任何参与该领域研究人员的宝贵资源。它不仅反映了该领域内的重大进展，也是指导未来创新的灯塔”。我们相信，随着微纳光纤技术的不断发展和完善，其在未来的科技领域中必将发挥更加重要的作用。
微纳光纤是一种直径接近或小于传输光真空波长的准一维光波导。该类结构的最早报道可以追溯到1887年（图1），英国物理学家Boys通过快速拉制高温熔融的矿石获得了直径约1 μm的玻璃细丝。因其优异的弹性和微小的回复力等力学特性，科学家把这些细丝制成了玻璃细丝弹簧。爱因斯坦也曾将这种玻璃细丝用于高精度的扭转力测量实验，用于验证安培分子电流假设。由于当时光波导技术尚未发展起来，这些玻璃细丝并没有被用于传输光信号。
1910年，Hondros和Debye首次从理论上给出了介质圆柱的导波解，指出电磁波可以被约束在无损的亚波长直径介质圆柱波导中传播，波导外部的能量在与传播垂直的方向上呈现指数衰减。后来，科学家将这种圆柱波导中的光频传输模也称作“表面波”，并对这类表面波特性进行了深入的理论研究。1966年，高锟等人提出使用高纯度玻璃光纤传输光信号，推动了低损耗玻璃光纤的成功研制，随后科学家开始使用玻璃光纤拉制微光纤，并基于其表面波耦合、表面场增强等特性研制了多种光学器件。
2003年，童利民和Mazur从实验上发现，直径低至深亚波长或纳米尺度的氧化硅微纳光纤可用于低损耗光学导波，为早期研究的表面波导及光纤技术带来了新的可能性。随着21世纪初光场调控和纳米技术的蓬勃发展，作为用于波长及亚波长尺度的超低损耗传输的低维波导结构，高质量的微纳光纤在纳米光子学领域引起了广泛的研究兴趣，特别是在光学传感和原子光学方面，发展了一系列的技术应用。
得益于近几十年来玻璃光纤技术的快速发展，高温物理拉伸低损耗玻璃光纤已经成为制备玻璃微纳光纤的一种常规方法，常见的加热方式为火焰加热、电加热以及激光加热。以最典型的氧化硅玻璃为例，当加热温度升高至玻璃软化温度（> 1100 ℃）时，通过拉伸光纤即可制备出微纳光纤，整体结构和典型的制备系统如图2(a)和(b)所示。制备所得的微纳光纤两端通过拉锥过渡区与标准光纤低损耗连接，有利于微纳光纤的实用化发展。
图2 高温拉伸制备微纳光纤的(a)示意图及(b)实验制备系统
目前，最常用的微纳光纤结构和形貌表征方法是光学显微和电子显微表征。图3(a)的光学显微镜图像展示了微纳光纤良好的直径均匀性；图3(b)-(e)的扫描电子显微镜（SEM）图像展现了其光滑的表面、完美的圆形截面以及优异的力学特性；图3(f)的透射电子显微镜（TEM）图像显示了其极低的表面粗糙度（<0.2 nm）。
图3 微纳光纤的形貌表征。(a)光学显微镜图像；(b)-(e)SEM图像；(f)TEM图 [Nature 426, 816 (2003); Opt. Express 14, 82 (2006); Front. Optoelectron. China 3, 54 (2010)]
随着微纳光纤光学应用研究的逐步深入，科学家开始探索微纳光纤的原位探测及形貌表征技术，陆续报道了各式各样的新型光学表征方法，如光学衍射成像、近场探测、非线性相位匹配、应力-应变分析、瑞利散射成像、模式演变频谱分析等，所实现的测量分辨率从15 nm到40 pm不等。
随着光纤直径减小至亚波长尺度，微纳光纤通常表现出一些独特的光学特性，包括大比例倏逝场（图4）、强光场约束、表面场增强以及大范围可调的波导色散，为微纳尺度上光场的灵活调控提供了有利条件。作为一种波导结构，传输损耗是人们最为关注的一个物理参量，微纳光纤的光学损耗包括散射损耗、弯曲损耗以及光学吸收。随着过去二十年里光纤制备和表面保护技术的快速发展和逐步完善，微纳光纤的光学损耗已经得到了明显的降低（图5）。最近，研究人员已经实现了微纳光纤中10 W光功率量级的高功率连续光单模传输，在微纳尺度强场相互作用研究领域具有极高的应用潜力。
图4 微纳光纤传导模式的三维和二维电场强度分布图 [Nanophotonics 2, 407 (2013)]
图5 过去二十年里玻璃微纳光纤中测得的一些光传输损耗典型值
另一方面，得益于近乎完美的结构均匀性，微纳光纤还具备较高的断裂强度（高达10 GPa）并可承受较大的弹性形变，因此可在各种环境中对其进行稳定且灵活的操纵，为构建新型微纳光子学器件以及发展相关应用提供了新的思路。
基于以上特性，近年来微纳光纤已经成为研究微纳尺度上光与物质相互作用的功能化光纤光学平台，并用于发展相关的光子学技术应用。微纳光纤的大比例倏逝场已被用于研究传导模式与表面附近介质（例如分子、纳米颗粒、一维光波导、二维材料和光学微腔）的近场相互作用，也是高效近场光学耦合与高灵敏光学传感的基础。
强光场约束和表面场增强特性有利于增强微纳光纤或者耦合介质的光学非线性效应。灵活可调的波导色散为非线性光学、脉冲压缩以及光纤激光器等应用中的色散管理提供了可行方案，并具有紧凑、低损耗和光纤兼容的优势。微纳光纤表面附近的大光场梯度使其成为微粒及原子操控的优良平台。微纳光纤的微小质量使其对传输光场动量变化诱导的光力学响应非常敏感，可用于研究光声相互作用以及发展光力学应用。
目前，人们已经发展出多种多样的微纳光纤光学与技术（图6），包括近场光学耦合技术、光学传感、非线性光学、光纤激光器、原子光学和光力学，对于探索微纳尺度上光与物质相互作用的新效应以及发展相关的微纳光子器件具有重要意义。
图6 微纳光纤主要特性及其光学应用简图
该团队系统地回顾了微纳光纤的发展简史以及近年来的前沿科学进展。作为一种典型的准一维光学导波结构，微纳光纤的结构高度对称、表面质量近乎完美、直径极其均匀，展现出极低的光学传输损耗、可接近100%的大比例倏逝场、强光场约束以及接近理论极限的力学性能。基于其优良的光学和力学特性，微纳光纤已经展现出一系列独特的导波优势及应用前景。
在未来的发展道路上，研究人员可以进一步：（1）探索微纳光纤的极限特性，通过优化微纳光纤的结构，实现更高的表面质量以及直径均匀度，使其更适用于极端光场的产生以及调控；（2）丰富现有的微纳光纤材料体系，完善不同材料微纳光纤的制备技术，优化光学导波性能，进一步拓宽其工作波段和应用范围；（3）发展新型微纳光纤制备、表征及应用技术，拓展微纳光纤的技术应用。
原文链接：
https://www.researching.cn/articles/OJ29031545f71c4f3d
童利民，浙江大学光电科学与工程学院教授，主要研究方向为微纳光子学理论基础、功能结构及器件应用。国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江特聘教授，美国光学学会会士，新基石研究员。
郭欣，浙江大学光电科学与工程学院教授，主要研究方向为微纳光纤技术及应用、微纳光子结构与器件。教育部青年长江学者，获浙江省杰出青年科学基金、饶毓泰基础光学奖、全国优秀博士学位论文提名等奖励或资助。
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