[论文解读] Laser Nano-Filament Explosion for Enabling Open-Grating Sensing in Optical Fibre

Keivan Mahmoud Aghdami, Abdullah Rahnama+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2020

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 65被引用 38

一句话总结

该论文提出一种激光纳米丝爆炸技术，可在石英光纤包层和纤芯中制造高深宽比、亚波长的纳米孔，从而实现坚固、开放式光栅结构的光纤布喇格光栅（FBGs），具有强烈的光子禁带。通过结合飞秒激光丝化与后续化学蚀刻，该方法实现了清晰分辨的p-移位FBGs，其折射率（RI）灵敏度高达600 nm/RIU，可在不进行光纤减薄或损伤的情况下，通过纳米孔的毛细填充实现对液体和气体的实时、高分辨率传感。

ABSTRACT

Embedding strong photonic stopbands into traditional optical fibre that can directly access and sense the outside environment is challenging, relying on tedious nanoprocessing steps that result in fragile thinned fibre. Ultrashort pulsed laser filaments have recently provided a non contact means of opening high aspect ratio nanoholes inside of bulk transparent glasses. This method has been extended here to optical fibre, resulting in high density arrays of laser filamented holes penetrating transversely through the silica cladding and guiding core to provide high refractive index contrast Bragg gratings in the telecommunication band. The point by point fabrication was combined with post-chemical etching to engineer strong photonic stopbands directly inside of the compact and flexible fibre. Fibre Bragg gratings with sharply resolved pi-shifts are presented for high resolution refractive index sensing from n = 1 to 1.67 as the nano-holes were readily wetted and filled with various solvents and oils through an intact fibre cladding.

研究动机与目标

• 开发一种非接触式、坚固的方法，将高对比度的光子禁带直接嵌入实心纤芯光纤中，用于环境传感。
• 通过消除对机械减薄或包层去除的需求，克服传统纳米加工光纤传感器的脆弱性和复杂性。
• 通过在光纤核心和包层中构建开放、可毛细进入的纳米孔阵列，实现强、可调谐且高度敏感的折射率传感。
• 实现高分辨率、p-移位的FBG谐振峰，线宽狭窄（<200 pm），以提升传感性能。

提出的方法

• 利用像差校正板的飞秒激光丝化技术，可精确、非接触地在光纤横截面内钻出高深宽比的纳米孔（直径约200 nm）。
• 激光诱导的纳米爆炸产生孤立的贯穿孔，热影响区极小，有效保持光纤的机械完整性。
• 采用后处理化学蚀刻（HF酸）可控地将纳米孔直径从200 nm扩大至700 nm，实现光子带隙工程。
• 在周期为Λ = 1.072 μm的纳米孔阵列上形成二级布喇格光栅，在1550 nm通信波段表现出强烈的禁带响应。
• 在纳米孔阵列中引入p-移位缺陷，以生成窄带、高品质因子（Q ~ 10^4）的共振，提升传感分辨率。
• 毛细力可实现纳米孔对不同折射率液体（n = 1.002 至 1.67）的自发填充，实现实时光流体传感。

实验结果

研究问题

• RQ1 飞秒激光丝化是否可用于在不损伤包层或无需光纤减薄的情况下，在光纤中制造高深宽比贯穿孔？
• RQ2 通过激光丝化与化学蚀刻形成的纳米孔FBGs，其最大折射率灵敏度可达多少？
• RQ3 在纳米孔阵列中引入p-移位缺陷，如何影响FBG的光谱响应与传感分辨率？
• RQ4 毛细作用在多大程度上可实现对多种液体的自发且可逆的纳米孔填充，以实现光流体传感？
• RQ5 激光纳米丝化与化学蚀刻的结合能否产生坚固、机械稳定的FBGs，其强光子禁带特性是否适用于实际传感应用？

主要发现

• 激光纳米丝爆炸技术成功制造出直径为200 nm、深宽比约500的纳米孔，贯穿标准SMF-28光纤的包层与纤芯，且未引起结构损伤。
• 化学蚀刻在初始2分钟延迟后，以100 nm/min的速率增加纳米孔直径，实现了可调谐的光子带隙工程。
• 所制备的FBGs在高折射率（n = 1.66）和大孔径（700 nm）条件下，折射率灵敏度高达600 nm/RIU，显著超过传统FBGs。
• p-移位FBGs的线宽为100 pm（3 dB带宽），表明其具有高品质因子（Q ~ 10^4），适用于高分辨率传感。
• 毛细流动可在亚秒至数十秒内实现纳米孔对从空气（n = 1.002）到油类（n = 1.670）的完全润湿，实现实时传感。
• 仿真与实验结果一致表明，存在强而谱线狭窄的禁带响应，其波长随折射率快速移动，验证了开放式光栅设计的高灵敏度与高鲁棒性。