Light | 用于柔性光学捕捉的超高数值孔径元光纤- 大数跨境

首页

Light | 用于柔性光学捕捉的超高数值孔径元光纤

两江科技评论

2021-03-18

导读：近日，德国莱布尼兹光子技术研究所的研究团队通过激光直写的方式，在改良的单模光纤表面实现了超薄元透镜，从而形成一个具有衍射极限的焦点，数值孔径高达NA≈0.9，首次证明了这种灵活的、具有成本效益的、与生

撰稿 | OSANJU 赵一心

导读

近日，德国莱布尼兹光子技术研究所的Markus A. Schmidt团队展示了一种超高数值孔径元光纤的设计和3D纳米打印技术，用于高柔性光捕捉。研究人员通过激光直接写入的方式，在改良的单模光纤表面实现了超薄元透镜，从而形成了一个具有衍射极限的焦点，数值孔径高达NA≈0.9，首次证明了这种灵活的、具有成本效益的、与生物和光纤电路兼容的元光纤装置的独特能力。该项研究凸显了元光纤与诸如生物分析、量子技术和生命科学等领域的相关性。

该文章被发表在《Light: Science& Applications》期刊上，题为“Ultrahigh numerical aperture meta-fibre for flexible optical trapping”，Malte Plidschun为第一作者，MarkusA. Schmidt为通讯作者。

研究背景

将光强聚焦到衍射受限的光斑上是大量光学应用的基本前提之一，包括高分辨率成像、显微镜、光学操作和通过光学光刻技术进行材料加工。特别是通过聚焦激光束对微观和纳米物体进行精确的光学控制和操作，已经在生物光子学、微流体学和量子技术中得到了复杂的应用。稳定的和强大的光学捕捉要求沿三个空间方向提供一个强大的梯度力，以提供强大的径向捕获力和平衡沿轴向的散射力。因此，紧密的光聚焦传统上是通过使用数值孔径非常高的显微镜物镜（NA>0.8）来实现。然而，这些光学元件体积庞大，且缺乏灵活性和可集成性，远程操作能力差，成本高，对大批量基础设施的要求高。

光纤为解决上述局限性提供了可能，并代表了一种灵活、可远程操作和低成本的光子平台。特别是，单模光纤（SMFs）的使用为产生具有明确光学特性的输出光束提供了一个主要优势。然而，光纤在聚焦应用中的使用，特别是光学捕捉，从根本上受限于从光纤面出现的光的发散。

纳米技术的最新进展为通过使用由亚波长元素组成的超薄元表面来塑造光束提供了前所未有的机会，允许在界面上对波面进行数字化和定制。在这种情况下，在光纤尖端上实现元透镜的紧密光聚焦已经实现。然而，实现的元透镜只能达到最大0.37 NA。另一方面,基于双光子聚合的3D激光直接写入(DLW)提供了一个理想的平台,可以在难以处理的基底上对任意的3D纳米结构进行光学数字化处理。

在这种背景下，Markus A. Schmidt团队展示了在功能化单模光纤的表面上设计和3D纳米打印超高数值孔径元透镜（UNM），支持基于单模光纤的灵活的光学捕捉的超高数值孔径元光纤设备，首次证明了这种灵活的、具有成本效益的、与生物和光纤电路兼容的元光纤装置的独特能力。

创新研究

用于柔性光学捕获的超高数值孔径元光纤的原理图如图1所示，具体来说，研究人员展示了空间分辨率低至300 nm的联调联试的设计和实验实现。该装置包括一个位于光纤顶端的3D纳米打印元透镜，用于捕获颗粒（图1a）。在水中测量径向焦平面，实现了高达约0.9的数值孔径和衍射限制点（图1b）。该实验是第一次将单个单模光纤与衍射光学相结合，通过光学捕获二氧化硅微珠及与生物相关的物种，证实了该设备的独特聚焦性能。

图1 用于柔性光学捕获的超高数值孔径元光纤的原理

该实验依赖于3D激光直接写入与功能化的单模光纤相结合，包括一片用于扩大光束的单模光纤，以适应超高数值孔径元透镜的全部数值孔径（图2a）。图2b是元透镜的设计图。低的空间分辨率导致混叠，而有限的激光源带宽导致菲涅尔区的不连贯干扰。图2c展示了光纤元透镜的模拟焦点，插图是径向焦平面。图2d和图2e分别是径向和轴向的强度曲线。从图2e中可以观察到，与波前校正设计（绿色）相比，未补偿的光纤波前曲率（蓝色）导致强烈的焦移和球差。

图2 超高数值孔径元透镜的设计方案和模拟聚焦性能

将激光二极管发出的光耦合到样品中，并将其尖端浸入水中，同时用高数值孔径浸水物镜测量距离超高数值孔径元光纤表面不同距离的横向光束轮廓，确定了元透镜增强光纤的聚焦性能。图3d-g显示了样品的测量光束轮廓，表现了极其紧密的、受衍射限制的聚焦（图3d），与设计的超高数值孔径元光纤的光束轮廓一致。各个焦平面与图3e中的方位角平均值相符合，且没有向任何一个方向扭曲。由此得出的数值孔径值很高(NA≈0.9)，并与模拟结果相吻合。