《Optics & Laser Technology》：Near-field scanning of microfiber evanescent fields using a tapered nanofiber probe
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微纤维瞬逝场高精度近场扫描系统及指数关系研究。采用锥形纳米光纤探针建立偶极散射模型，量化探针收集功率与局部瞬逝场关系，实验与COMSOL模拟相关系数达0.97。系统实现65.4 nm空间分辨率，突破传统平面扫描局限，并首次揭示微纤维透射率与瞬逝场FWHM的指数关系，为器件优化提供新方法。
作者列表：詹 Lv、张宇、彭星远、吴春玲、张宇森、柯泽、彭一欣、陈俊腾、于子涵、韩龙伟、李志斌、郑华丹、朱文国、钟永春、唐杰源、戴甘E、陈哲、于建辉
中国广东省光纤传感与通信重点实验室，济南大学光电工程系，广州 510632
摘要
精确表征悬浮圆柱形微光纤中的衰减场对于优化基于光纤的光子器件性能至关重要。然而，由于扫描不稳定性的存在，在这种无基底的曲面波导上获得高分辨率的场分布仍然是一个重大挑战。本文开发了一种高精度的近场扫描系统，使用锥形纳米光纤探针来表征微光纤在其基模下的衰减场。建立了一个严格的偶极子散射模型，以量化探针收集的功率与局部衰减场之间的物理关系。实验结果表明，扫描场与数值模拟之间的相关性非常高（相关系数为0.97）。通过对直径为1 μm的微光纤的腰部区域进行三次独立扫描，进一步验证了系统的高重复性和稳定性，相对误差和误差限均低于10%。此外，在微光纤上方的不同高度进行的扫描揭示了衰减场的衰减特性，证实测量的模式场分布与扫描高度无关。尽管存在几何复杂性，该系统仍实现了65.4 nm的空间分辨率，有效克服了传统平面扫描方法的局限性。更重要的是，发现了微光纤透射率与衰减场半高宽之间的基本指数关系。这一发现为评估光学微光纤的制造质量和模式限制提供了一种新的、非侵入性的指标，将宏观传输特性与微观场分布联系起来。
引言
微光纤作为一种一维介电波导，其直径与光波长相当或更小，具有多种独特的光学特性，包括紧密的模式限制、强衰减场、光滑的表面形态和高效的近场耦合[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这些特性使它们对周围折射率的变化非常敏感，从而应用于超灵敏传感器和微光子器件[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。最近的进展显著增强了基于微光纤的传感器的能力。例如，将纳米光纤尖端传感器与光子晶体腔集成，实现了对小至50 nm的颗粒的实时检测[12]。此外，双等离子体界面传感器（结合了金纳米棒和硫化铜）的发展，促进了生物标志物的同时检测和光热治疗[13]。基于MoSe2支撑的金纳米棒的光纤传感器也表现出卓越的灵敏度，能够检测到低至9.32个颗粒/mL的肾癌外泌体[14]。其他创新包括纳米光纤湿度传感器的开发，其响应时间快至40 ms，灵敏度达到?1.162 dB/%RH[15]。这些进展共同展示了微光纤传感器在高度灵敏检测和实时分析中的多功能应用。
尽管取得了这些进展，但对微光纤周围衰减场分布的全面扫描仍然是一个关键挑战。传统的方法如光纤束收集[16]和场成像[17]在空间分辨率和灵敏度方面存在局限性。此外，传统的光学显微镜技术由于衍射极限分辨率（约200 nm）和非辐射特性[18]而无法可视化衰减场。因此，迫切需要一种高分辨率的近场扫描方法。
近场扫描光学显微镜（NSOM）提供了一种突破这一限制的强大方法。通过在探针端使用亚波长孔径或金属尖端，NSOM能够实现超出衍射极限的空间分辨率，达到约10 nm[19]、[20]、[21]。该技术已广泛应用于微/纳米尺度成像、光场映射、材料表征和生物医学[22]、[23]、[24]。与远场成像不同，NSOM可以直接探测衰减近场并呈现详细的局部光场分布[25]、[26]、[27]。到目前为止，大多数先前的NSOM研究都集中在平面波导上。然而，对圆柱形微光纤的衰减场进行扫描尚未得到证实，仍然是一个新的技术挑战。曲面几何形状使得保持稳定的探针-光纤间隙变得困难，从而降低了耦合效率和测量精度。此外，与平面光子结构相比，微光纤的近场扫描仍然较少被探索[23]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。尽管最近的s-NSOM和干涉测量设置已经展示了在纳米光子电路中测量引导模式和传播损耗的有希望的结果，但对圆形微光纤的特定衰减特性仍基本未得到解决[36]。
在这项工作中，我们提出了一种基于锥形纳米光纤探针（TNFP）的高精度近场扫描系统，专门用于表征在基模激发下悬浮圆柱形微光纤的衰减场轮廓。建立了一个偶极子散射模型，表明探针收集的信号功率与局部衰减场的平方成正比。实验测量的场分布与数值模拟结果非常吻合，相关系数高达0.97。尽管扫描曲面无基底表面存在挑战，但重复扫描确认了高稳定性，相对误差和误差限比率均低于10%。此外，在多个垂直高度进行的近场扫描产生了相同的归一化模式分布，表明模式形状的扫描与高度无关。该系统实现了65.4 nm的空间分辨率，显著超过了传统技术的分辨率。最重要的是，首次发现了微光纤透射率与衰减场半高宽（FWHM）之间的基本指数关系，为优化基于微光纤的光子器件提供了一种新的、非侵入性的指标。
理论及公式
为了建立分析锥形纳米探针与微光纤衰减场之间近场耦合的理论框架，考虑了图1(a)中示意性的偶极子散射模型。在模型中，锥形探针的顶端大致被视为一个电偶极子，与微光纤的引导模式所携带的衰减场相互作用。由衰减场在探针尖端诱导的偶极矩将辐射出来
样品制备
实验中使用的微光纤是通过熔拉技术对单模光纤（Corning SMF-28e）进行加热和锥形加工制成的，如图2(a)所示。这一过程确保了光纤表面的均匀性和光滑性[1]、[2]、[3]。微光纤沿长度方向的直径变化如图2(b)所示，呈现出逐渐且均匀的过渡，腰部区域缩小至约1 μm。使用扫描电子显微镜（SEM）拍摄的图像显示
实验装置
为了探测微光纤的衰减场分布，我们开发了一种基于TNFP的近场扫描系统，如图3所示。1550 nm的连续波激光通过掺铒光纤放大器（EDFA）放大至100 mW，然后通过光纤耦合器耦合到微光纤中，以激发微光纤腰部的衰减场。微光纤被封装在UV粘合剂中，并放置在玻璃基底上，以确保测量过程中的稳定性。
结果与讨论
为了验证所开发的近场扫描系统提取微光纤衰减场分布的准确性和有效性，我们使用商业软件COMSOL Multiphysics中的有限元方法（FEM）进行了数值模拟。我们的分析集中在由位于微光纤腰部上方的圆锥形纳米光纤探针收集的基模电场。
结论
总之，我们展示了一种专门用于表征悬浮圆柱形微光纤衰减场的高精度近场扫描系统。所提出的偶极子散射模型足够严谨，使扫描系统能够获得衰减场轮廓。通过克服扫描曲面无基底波导时固有的测量不稳定性，该系统实现了65.4 nm的空间分辨率，显著超过了光学衍射极限
作者贡献声明
詹 Lv：撰写——原始草稿、可视化、研究、正式分析、数据管理。张宇：撰写-审阅与编辑、方法论、软件、可视化、验证、正式分析、资金获取。彭星远：撰写-审阅与编辑、方法论、正式分析。吴春玲：研究、数据管理。张宇森：验证、研究。柯泽：软件、数据管理。彭一欣：资源、研究。陈俊腾：可视化、研究。于子涵：
资助
本工作得到了中国国家自然科学基金（12174155, 12504360, 62505112）；广东省基础与应用基础研究基金（2024A151540072, 2024A1515140140, 2025A1515010651, 2022A1515140055）；济南优秀青年学者支持计划（JNYC-2024500241）；教育部中央高校基本科研业务费（21624108）；粤港澳大湾区智能微纳联合实验室研究基金的支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
