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本文小编和大家分享一篇文章，前面小编提到过，在光纤端面做超结构有3种方式

method1:先在晶圆上做好超透镜，然后通过胶粘在光纤上

method2:在光纤端面上用聚焦离子束刻蚀的方式，在光纤端面刻结构。

method3:在光纤端面采用双光子打印的方式，在光纤端面打印结构

前面小编知道这两种方式，但是不知道第二种方式的是用什么方式刻上去的，经过小编的查证，为聚焦离子束光刻。

本文为这个制造方式的实际应用案例。

在光纤端面做超结构可以直接对光斑进行任意调控，成为真正的光斑调控大师，比如出射圆形准直光斑，涡旋光，等等，在可以制造出来的前提下，想怎么调控就怎么调控

参考小编前面文章

超透镜+光纤--在光纤端面制作超结构来实现对光斑的任意调控，应用光通信，光医疗，光传感，光纤激光器

光纤探针--用于光学相干层析成像的超透镜光纤探针

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通过在光纤尖端集成超表面，超光纤正在成为纳米光子学和光纤领域重要的光学耦合平台。在这里，我们提出了一种等离激元超光纤，用于将光纤中的基模转换为一阶模式，并作为器件性能的证明，展示了使用该超光纤的全光纤 Q   开关圆柱形矢量激光器。

基于偏振相关的等离子体共振，从理论上和数值上设计了偏振无关的模式转换超表面，直接在光纤面上制造，并封装为全光纤组件，在  1550  nm 波 段效率高达  21%。在全光纤激光器中使用超光纤，当泵浦功率从30增加到120毫瓦。A PB和RPB的模式纯度分别为86.5%和90.7%。这项工作概述了一种将超表面集成到“全光纤”系统中的新策略，并提供了构建下一代激光源（例如全光纤超快结构激光器）的可靠途径。

1  简介

超表面通过调整超原子的形状、大小和空间排列参数，可以操控亚波长尺度光场的相位、振幅和偏振[1]。在过去的十年中，大量基于超表面的新颖器件和功能被证明可以在空间和/或时间域中调制光场，包括超透镜[2,  3]、全息显示[4,  5]、结构光发生器。化[6,  7]、吸收器[8]、脉冲形[9]和非线性光学[10]。尽管超表面显示出前所未有的操纵光场的能力，但其超小的占地面积是一把双刃剑：一方面，使芯片上的光学器件小型化；另一方面，与传统的体光学元件和系统不兼容。除了开发新功能和赋予动态可调性之外，目前，超表面与传统光电器件和系统的集成正在成为促进超表面工程和工业应用的重要动力[11‑16]。在日益先进的微/纳米制造技术的帮助下，超表面已直接在光纤尖端[17]、半导体激光器[18]和CMOS相机[19]上制造。其中，由于为“光纤实验室”注入新生命的巨大潜力，光纤尖端的超表面（通常称为超纤维）近年来引起了人们的强烈关注[20‑24]。2 022  年，Zhang  等人。报道了基于超光纤的可饱和吸收器（SA）的首次演示，用于工作波长为 1 .5  和  2  μm的超快全光纤激光器[25]；顾等人。提出了一种大规模制造工艺，即改进的自组装纳米球光刻，直接在光纤尖端上制造超表面‑SA，并演示了全光纤皮秒孤子锁模激光器[26]。这些开创性的工作证明了超光纤在全光纤激光器中进行时域光场操纵的可行性、优势和潜力。

在空间域中，人们提出了一系列基于模式耦合理论的全光纤模式转换器，以在光纤激光器中产生圆柱矢量光束（CVB）和涡旋光束[27]，例如偏置熔接光纤（OSF） ）

[28]、长周期光纤光栅（LPFG） [ 29]和模式选择耦合器（MSC）  [30]。  2015年，徐等人。使用  OSF  和光纤布拉格光栅在  8  字形光纤激光器中演示了脉冲持续时间为  2.8  至  23  ns  的径向偏振锁模光纤激光器[28]。  2017年，我们报道了一种脉冲持续时间为6.87  ps的超快CVB激光器，分别使用OSF和双模光纤布拉格光栅（TM‑FBG）作为模式转换器和选择器[31]。  2018  年，王等人。展示了通过将  LPFG 引 入线性激光腔来生成连续波  CVB  的全光纤激光器[32]。

与此同时，张等人。演示了使用  MSC  作为输出模式转换器从被动锁模光纤激光器生成可切换双波长 ~ 500  fs C VB  [33]。  2019  年，Zeng  等人。使用  MSC  的泵浦模式转换证明了所有少模光纤 ( FMF)  激光器中的高阶振荡[34]。这些工作构建了全光纤CVB激光器的研究框架。

然而，近年来，目前使用模式耦合理论的方案出现了瓶颈，严重依赖光纤的本征模，从而导致按需灵活空间模式控制的最大挑战。因此，鉴于超表面在空间域中随意操纵光场的强大能力，用于调制光纤激光器尤其是超光纤中空间模式的超表面值得期待。

在本文中，我们提出了一种用于操纵光纤中空间模式的等离子体超光纤，并演示了从全光纤激光器直接生成调Q  CVB。

基于金  (Au)  薄膜中纳米孔的偏振相关等离子体传输，双模光纤  (TMF)  面上具有空间定向纳米孔的偏振无关超表面被设计用于将基模 (  LP01)转换为一阶模( LP11)纤维中。通过使用聚焦离子束（FIB）光刻技术，在TMF面上制作超表面，并用Au薄膜覆盖陶瓷插芯（CF），然后使用陶瓷套管将CF与单模光纤（SMF）封装在一起。在 1 529  至 1 560  nm  的感兴趣波长下，测得超光纤的模式转换效率高达  21%。当将超光纤熔接成全光纤激光腔时，在TM‑FBG的帮助下，可以在1548.5 n m波长下轻松实现包括方位偏振光束（APB）和径向偏振光束（RPB）的Q开关CVB 。

APB和RPB的模式纯度分别为86.5%和90.5%。这项工作提供了一种将超表面集成到“全光纤”系统中的新策略，并首次演示了超光纤在全光纤激光器中的空间模式调制。

2  等离子体超纤维的设计与制备

图1（a）显示了等离激元超纤维的概念和几何结构，这是一种夹在SMF和TMF之间的金纳米孔超表面，它可以将SMF中的LP01模式转换为TMF中的LP11模式。为了激发 T MF  中的固有LP11模式，超表面转换模式应表现出与LP11模式相似的模式轮廓。为了实现这一目标，我们首先对平面二氧化硅（SiO2）基板上的单个金纳米孔进行有限差分时域模拟。模拟中，SiO2衬底为无损电介质，折射率为1.45，Au  薄膜的介电常数由Drude  模型决定。

根据模拟参数扫描结果，为了在1550  nm波长下获得最佳效率，选择纳米孔的几何参数为长（L）420  nm、宽（W）130  nm、孔深50  nm。深度  (H) 和 周期  (P) 6 00  nm。研究发现，由于金纳米孔中偏振相关的等离子体共振，如图1（b）所示，当激发光沿纳米孔长轴偏振时，透射率（Tu）接近于0，而透射率（在宽带红外区域，当激发光的偏振垂直于纳米孔的长轴时，  Tv)相当高。

因此，  x偏振的入射光束可以转换为v偏振的光束，起到半波片的作用。将SMF中的LP01模式转换为TMF中的LP11模式的超光纤的工作原理如下。

光纤中LP11模的空间场分布符合附加余弦函数项的一阶贝塞尔函数。如图1（c）所示，由于上述纳米孔的偏振相关透射率响应，当激发光为x时，每个超原子位置处的透射光电场为Ev  =  ExTvcos  ‑偏振，其投影=  ExTvcos2且在x 方 向和y  方向上分别为E′  Ey  =ExTvsin  cos 。因此，超表面将LP01模式转换为类LP11模式的功能可以通过将每个纳米孔的取向角设置为= 0 .5  + /4来实现，如图1（c）所示，其中  是方位角极坐标中纳米孔的角度。在这种布置中，输出光在x方向和y方向上的电场分别2‑ExTvsin /2和Ey  ＝  ExTvcos /2，其中Ex是x偏X满足Ex  ＝  ExTv /振的电场LP01模式。可以看出，输出光在y方向上的电场是类LP11模式，在x方向上是LP01的叠加模式

图  1：等离子体超纤维的概念、几何结构和工作原理。  (a)  超光纤和超表面的几何形状，以及从LP01模式到LP11模式的模式转换示意图。模场分布是超光纤的模拟结果。  (b)  模拟入射光束沿纳米孔长轴和短轴偏振时单个纳米孔的透射率和电场分布。  (c) 模 式转换超表面工作原理示意图。

模式和类似  LP11 的 模式。因此，在x偏振器条件下，超表面的输出光是类LP11的，可以连续激发TMF中的LP11模式。由于生成的LP11  模式和残留LP01模式的正交偏振特征，从 T MF  中的两个模式中提取LP11模式并不困难。为了验证性能，对超纤维模型进行了模拟，其中超表面是使用具有相同几何尺寸和不同空间位置不同方向的33  × 3 3纳米孔阵列设计的，服从=  0.5 +  /4。在这个模拟中，超表面的基底是一块TMF，平面波在SMF中向下入射。模式

图 1 (a)中的场分布清楚地表明SMF  中的LP01模式转换为TMF  中的LP11模式。超光纤模式转换器的制备过程分为三个步骤：利用热蒸发在  TMF  面上沉积  Au  薄膜，利用  FIB 光 刻技术在  TMF 面 上用商用  CF  制造  Au 纳 米孔超表面，然后使用  SMF‑CF 进 行封装。陶瓷套筒。如图2(a)所示，  TMF‑CF和SMF‑CF首先准备好干净平坦的小面，在TMF‑CF的小面上依次沉积5nm厚的Cr层和50nm厚的Au层。采用热蒸发法。之后，在TMF‑CF上的Au薄膜中蚀刻出纳米孔

图  2：等离子体超纤维的制造和表征。 ( a)  使用  FIB 光 刻和封装在 T MF‑CF  上制造超表面与使用陶瓷套筒的  SMF‑CF  一起使用。  (b)  制造的超表面的  SEM  图像。  (c)  包装好的超纤维和纤维卡盘的图片。

使用 F IB‑SEM 系 统（FEI、Helios G 4  CX D ualBeam）。后调试测试，FIB‑SEM最终参数系统电压设置为30  kV左右，电流为24  pA，工作时间2分40秒。图2(b)显示扫描电子显微镜 ( SEM)  图像TMF‑CF  上制作的超表面。纳米孔的典型几何尺寸为435  nm（长）  × 1 35  nm（宽），表明4% 的 偏差，这是由于精度有限造成的FIB本身、Au膜的质量以及手册离子束的聚焦。由于宽带响应对于超表面，这种偏差几乎没有任何影响关于结果。然后，封装具有超表面的TMF‑CFSMF‑CF  使用陶瓷套筒和 U V 固 化粘合剂。超纤维是一种全纤维组件，如图所示图2(c)继承了纤维组件和超表面的优点。值得注意的是，虽然存在CFs两端面之间存在间隙（10  μm），在实验中，间隙对激光性能没有明显影响除了界面引起的额外损耗外观察到反射，可以通过将折射率匹配液体注入间隙来减少反射。在 F IB  过程中，

为了解决平台兼容性、机械振动和导电性问题，一种特殊的纤维卡盘是设计的。如图2(c)的插图所示，纤维吸盘，采用高导电率、高硬度制成硬铝，可以保证光纤上FIB蚀刻的质量刻面与平面基板上的刻面一样高。和....相比之前报道的基于裸纤维的超纤维，我们的以CF纤维为基础的超纤维可以避免机械作用制造过程中振动引起的偏差裸纤维的大长径比。在封装过程中，CF应直接插入陶瓷中两根光纤端接时套管无旋转和摩擦面孔碰撞。这是一种集成超表面的新策略进入“全光纤”系统，并在新型领域具有巨大潜力用于商业化的纤维组件。验证模式转换性能制造超光纤后，使用全光纤实验装置测量输出模场和转换效率，如图3(a)  所示。在实验中，SMF  中的线偏振LP01模式是通过波长可调谐激光器之后的偏振分束器实现的，并且

图  3：测得的等离激元超纤维的模式转换性能。 ( a)  测量实验装置。  PBS，偏振分束器；  PC、偏振控制器；  LP，线性偏光镜；  CCD，电荷耦合器件。灰线和蓝线分别代表 S MF  和  TMF。  (二)测量超纤维的模式转换性能和效率。

采用偏振控制器（PC）来旋转LP01模式的偏振方向。模式转换后，  LP11模式和剩余LP01模式通过准直器输出，然后通过旋转线偏振器的光轴提取LP11模式。  LP11模式的空间强度分布由电荷耦合器件  (CCD) 记 录。如图3(b)所示，当PC旋转LP01模式的偏振方向时，  LP11模式可以在所有偏振方向上退出，呈现出偏振无关的特征。在  1529  至  1560  nm  波长下测量超光纤的模式转换效率为  11% 至   21%。带内转换效率的波动可能是由于制造偏差引起的纳米孔几何不均匀性造成的，这导致不同波长下不同的等离子体响应。超光纤在1529~1560  nm波长范围内的平均插入损耗为~3.7  dB，主要来源于Au材料的欧姆耗散、纳米孔的等离子体共振损耗以及界面和Au薄膜的反射损耗。事实上，有效的根据模拟，工作带宽至少超过  200 n m。这些结果表明超纤维是一种宽带和偏振无关模式转换器。实验结果与模拟和理论计算吻合良好。

3  基于等离子体超纤维全光纤调Q  CVB激光器

作为设备性能的证明，使用制造的超光纤的全光纤激光器被认为可以直接从激光腔生成  CVB。如图4所示，激光依次穿过  980/1550  波分复用器  (WDM)、3 米 掺铒光纤  (EDF)、80:20 输 出耦合器  (OC)、偏振相关隔离器。器（PD‑ISO），一个3端口循环器，超光纤，然后被TM‑FBG反射并通过CNT‑SA传播。

SMF和TMF的总长度分别为24.54  m和0.6  m，

图  4：采用等离子体超光纤的全光纤Q  开关  CVB 激 光器的实验装置。  LD，激光二极管；W DM，波分复用器；  EDF，掺铒光纤；  PC、偏振控制器；  OC，输出耦合器；P D‑ISO，偏振相关隔离器；  CNT‑SA，碳纳米管可饱和吸收体；  CCD，电荷耦合器件。灰线和蓝线分别代表  SMF 和   TMF。

分别。  CVB  通过连接到 T M‑FBG  的准直器输出，并且  CVB  的空间强度分布由  CCD  记录。C VB  激光器的光谱和时间特性是通过  OC  测量的。事实上，超光纤之后，  LP01和LP11模式在TMF中共存。众所周知，光纤中的LP11模是由APB和RPB等矢量本征模叠加形成的标量解。为了从激光器获得  APB  和  RPB，在超光纤转换之后的下一步是从LP11模式中解析和提取它们。

在我们的实验中，采用PC2和TM‑FBG来实现这一目标。当TMF受到PC2的挤压和旋转时，由于模式的有效折射率、偏振和损耗的改变而引起矢量本征模之间发生复模耦合，最终可以实现TMF中包括APB和RPB的CVB。  TM‑FBG  的反射光谱如图  5（a）所示。三个反射峰分别代表一阶至一阶模式反射、一阶至二阶模式反射以及二阶至二阶模式反射。因此，当激光在峰值 1   振荡时，TM‑FBG 将 LP01模式反射回环形腔，同时传输  CVB。在泵浦功率为20  mW时，首先获得了稳定的连续波。当泵浦功率增加到30  mW时，激光自动从连续波演变为状态进入Q开关状态。通过调整PC2，可以观察到方位角或径向偏振的CVB，并且仍然保持Q开关状态。如图5(a)所示，调Q  APB和RPB的中心波长为1548.5  nm，位于TM‑FBG反射光谱的中心。事实证明，大部分LP01模功率被反射回光纤环腔，并从激光腔输出高质量的CVB。如图5（b）和（c）所示，典型Q开关APB/RPB的脉冲间隔和脉冲持续时间分别为67.28/65.15  μs和4.06/3.66  μs。光纤激光器在整个实验过程中可以稳定地发射调Q  APB或RPB，泵浦功率范围为30~120  mW，并且在固定泵浦功率下光谱和脉冲串几乎保持不变。

在空间域中，使用  CCD  捕获  APB 和  R PB  激光器的强度分布。为了进一步分析光束的偏振状态，在  CCD  前面放置了一个线性偏振器。在没有偏振器的情况下，如图6(a)  和  (b)  所示，输出强度呈现出中心有暗点的环形强度分布。当从四个不同的透射轴方向穿过偏光片时，强度分布如图6(a1‑a4)和(b1‑b4)所示。通过的光的强度分布方向随偏光片的透射轴旋转，如图6中的白色箭头所示，暗带始终是

图  5：激光器在光谱和时间域中的输出特性。 ( a)  Q开关APB和RPB激光器的光谱，以及TM‑FBG的反射光谱。 ( b)  Q  开关  APB  激光器的典型脉冲序列。  (c) Q   开关  RPB  激光器的典型脉冲序列。

图  6：激光器在空间域中的输出特性。 ( a)  Q  开关  APB  的空间强度分布和  (b)  Q 开 关  RPB 在 通过线性偏振器之前和之后的空间强度分布。白色箭头表示偏振器的透射轴方向。

平行/垂直于偏光片的透射轴，表明输出激光束为APB/RPB。这种Q开关APB和RPB状态可以通过调整PC2轻松切换。

当泵浦功率从30到120  mW变化时，激光器保持稳定的调Q运行。图  7(a)给出了脉冲持续时间和重复率随泵浦功率的变化。可以看出，调Q  APB/RPB的脉冲持续时间随着泵浦功率的增加而减小，而重复频率则增加，这是调Q激光器的典型特征。记录来自 O C  和准直器的  Q 开 关  APB/RPB的输出功率以进行比较，如图7(b)  所示。

Q开关CVB激光器的阈值和斜率效率分别为30  mW和1.4%。考虑到OC的输出比例为20%，计算LP01模式到APB/RPB模式转换的最高效率为为9.37%/9.55%，根据CVB的输出功率与腔内总功率的比值计算。需要注意的是，用无图案TMF‑CF替换超光纤后，当激光器仍然在峰值1振荡时，激光器只能从两个端口输出LP01模式，这表明超光纤在激光器中起到了明确的模式转换作用。激光。调Q  APB 和 RPB 激 光器的模式纯度是通过紧弯曲方法测量的，该方法基于光纤中基模和二阶模式之间的弯曲损耗差异[35]。

当激光器工作在RPB模式时，在相同泵浦功率下，未弯曲时的输出功率为721μW，当光纤弯曲成铅笔时，输出功率为67μW。因此，RPB  的模式纯度估计为  90.7%。同样，APB  的模式纯度为 8 6.5%。需要指出的是，虽然超光纤的模式转换效率低于21%，但TM‑FBG的高反射率（98.6%）对于

图  7：具有泵浦功率的  Q  开关 C VB  激光器的演变。 ( a)  脉冲持续时间和重复率。 ( b)  OC  和准直器的输出功率。

基模可以保证输出端口一阶模的高纯度。图6中不完美的空间强度分布主要归因于CCD的缺陷。

与传统的光纤模式转换器（包括OSF、LPFG和MSC）相比，超光纤显示出多种优势和潜力。O SF技术基于从SMF到FMF的横向偏移模式激励，强烈依赖于横向偏移距离（亚微米量级），这对于先进的光纤熔接机来说很简单但很难实现。原则上，耦合效率理论上限制在20.7% [ 31]，从而导致损耗大、偏振依赖性强。此外，OSF易碎，在偏置拼接处容易断裂，限制了其实际应用。  LPFG  技术提供了 F MF  中基模和高阶模之间的模式转换，例如激光刻划[32]、声感应[36]和压力感应[37]。声诱导和压力诱导的长周期光栅使激光系统变得更加复杂，而激光刻划长周期光栅则很简单。然而，LPFG  相当窄的光学带宽使其难以产生脉冲甚至超快  CVB 激 光器，而这通常需要大带宽[30]。

MSC基于SMF中的基模和FMF中的高阶模之间的相位（传播常数）匹配，这是通过熔融锥形光纤耦合来实现的。当相位匹配条件满足良好时，MSC理论上表现出高转换效率和宽转换带宽[33]。然而，实际上，使用熔融锥形光纤系统制造MSC时，锥形光纤直径和熔融的高精度控制是困难的。此外，由于大相位，很难将基模耦合到高阶模。

不匹配，也很难在光纤中直接激发矢量模式。相比之下，超光纤具有可控性高、重复性好、光带宽宽、偏振无关等优点，为传统光纤模式转换器的困难提供了很好的解决方案。尽管目前实验测量的效率低于21%，但相信通过优化设计和制造可以进一步提高效率，例如金纳米带超表面和全电介质超表面[38,  39]。实验还测量到，即使在  20  mW、500  fs 激 光的输入下，我们的超光纤也没有观察到明显的损伤，表现出良好的抗光学损伤稳定性。结果表明，所提出的超光纤可以成为调制全光纤激光器空间模式的替代解决方案。

4。结论

我们提出了一种等离激元超光纤，用于将光纤中的LP01模式转换为LP11模式，并演示了使用该超光纤的全光纤Q 开 关 C VB  激光器。基于等离激元共振引起的Au薄膜中纳米孔的偏振相关传输，利用FIB光刻在Au薄膜覆盖的TMF‑CF面上设计并制造了具有空间定向纳米孔的偏振无关模式转换超表面。然后，采用陶瓷套管与SMF‑CF封装，制备出超光纤作为全光纤组件，在测量波长1529~1560  nm下，超光纤的模式转换效率高达21%。