基于纖端超表面的多功能化纖上實(shí)驗(yàn)室器件制備研究進(jìn)展

劉 銀，廖啟明，黃玲玲

（北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 海淀 100081）

1 引 言

光纖傳感器作為感知、檢測(cè)、監(jiān)控和轉(zhuǎn)換信息的重要技術(shù)手段以其體積小、質(zhì)量輕、可應(yīng)用于嚴(yán)苛環(huán)境、超高縱橫比、高機(jī)械強(qiáng)度、抗電磁輻射、耐腐蝕、可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和生物兼容性等優(yōu)點(diǎn)成為近年來的研究熱點(diǎn)［1-4］。常用的光纖大多數(shù)是由二氧化硅組成的，因?yàn)槎趸璧牟牧咸匦院凸饫w的幾何結(jié)構(gòu)，“單純”的光纖傳感器只能實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)、彎曲和折射率等物理參量的感知與監(jiān)測(cè)［5］，阻礙了光纖傳感器在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、建筑、化工、電力，甚至是軍事方面的應(yīng)用。光纖傳感器的多功能化、高集成化迫在眉睫。

纖上實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-Fiber）技術(shù)是一種將特定機(jī)械、物理、化學(xué)或生物特性的功能材料集成到光纖上的新型感知平臺(tái)［6］，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大關(guān)注。現(xiàn)代納米結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與光纖的結(jié)合大大擴(kuò)展了感知的種類和范圍，有望將纖上實(shí)驗(yàn)室器件打造成多功能即插即用的光器件，其構(gòu)成的全纖維納米平臺(tái)為推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)傳感技術(shù)革新奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。微納結(jié)構(gòu)制備工藝的日漸成熟，為即插即用且兼容現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的全光纖智能平臺(tái)提供了切實(shí)可行的路徑，但仍需要大量的研究工作來解決纖上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)存在的缺陷和難題，克服相關(guān)的技術(shù)障礙和限制，將“Lab-on-fiber”這一愿景轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。

2 纖上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)分類

如圖1所示，根據(jù)功能材料與光纖整合的空間位置，纖上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)可分為基于纖端功能化、基于纖內(nèi)功能化和基于纖側(cè)面功能化的纖上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)3類。其中，基于纖端功能化的纖上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的功能材料主要被集成在光纖的端面，光纖作為光束發(fā)射或發(fā)射及接收的媒介，通過光與纖端功能材料的相互作用實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)、光束調(diào)控、激發(fā)和轉(zhuǎn)換等功能［8］。基于纖內(nèi)功能化的纖上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)主要是功能材料滲透到光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)中以構(gòu)成功能化微結(jié)構(gòu)光纖?；诶w側(cè)面的功能化纖上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的功能材料主要是被集成在光纖的圓柱表面，通過入射光纖芯模式或是包層模式與功能材料相互作用以實(shí)現(xiàn)各種功能。

圖1 纖上實(shí)驗(yàn)室技術(shù)分類與纖端實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的多功能集成Fig.1 Lab-on-fiber paradigm and multifunctional integration on fiber tips

3 基于纖端功能化的纖上實(shí)驗(yàn)室器件制備技術(shù)

最初傳統(tǒng)微納制造工藝是為了與平面基板進(jìn)行集成，而光纖具有較小的橫截面和超高的縱橫比以及易彎曲等特性，微納結(jié)構(gòu)制造工藝與光纖相結(jié)合面臨著極大的理論和技術(shù)挑戰(zhàn)。在光纖端面上構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)的加工工藝主要包括：機(jī)械加工、熱熔加工、化學(xué)腐蝕、聚焦離子束蝕刻、飛秒激光減材制造、光刻、自組裝、薄膜沉積、3D激光直寫和材料轉(zhuǎn)移等。

3.1 機(jī)械加工

機(jī)械加工包括機(jī)械研磨和機(jī)械組裝等方法。機(jī)械研磨方法是一種比較簡(jiǎn)單的纖端加工方法，包括研磨、拋光等工藝，可以快速獲得所需的光纖纖端形狀。使用粗糙的拋光紙研磨光纖端面，然后在光纖端面沉積金屬膜，可以將光纖端面制備成高活性表面增強(qiáng)拉曼基底［9-10］。將光纖端面進(jìn)行研磨也可以獲得不同的形狀錐或是錐臺(tái)，實(shí)現(xiàn)類貝塞爾光束［11］、透射增強(qiáng)表面等離子體共振顯微鏡［12］（圖2）等功能。機(jī)械組裝也是用于在纖端制備集成器件的一種重要方式，將玻璃微球組裝在光纖尖端可以實(shí)現(xiàn)微粒捕獲［13］和微球諧振腔［14-15］，光纖端面和微型懸臂梁構(gòu)成的法布里-珀羅干涉儀結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)參數(shù)的測(cè)量［16-17］。機(jī)械加工方法雖然具有簡(jiǎn)單高效，可高通量制造的優(yōu)勢(shì)，但是在器件可靠性、性能和制備重復(fù)性、批量穩(wěn)定性方面仍然存在一定的缺陷。

圖2 環(huán)形芯光纖端面圓錐臺(tái)的顯微圖像與不同輸入能量情況下表面等離子體波照明圖像［12］Fig.2 Microscopic images of end cone of ring core fiber and illumination images of surface plasma wave under different input optical powers［12］

3.2 熱熔加工

熱熔加工方式包括光纖熔接和熔化等。通過異種光纖熔接方式構(gòu)建的法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多種傳感參量的測(cè)量［18-19］。由于光纖融化時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面張力，采用氫氧焰、電弧放電或是二氧化碳激光高溫?zé)崛鄣姆绞酵ㄟ^熔化光纖尖端制造微球，光纖與微球的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)拉曼探針［20］（圖3）、壓力測(cè)量探針［21］和諧振器［22］等光纖器件。電弧放電作為一種低成本高效的熱熔加工方案，在光纖熔接、異形結(jié)構(gòu)加工、光纖球透鏡加工和空氣微腔加工方面具有極大的優(yōu)勢(shì)［5，23-24］。但是，常規(guī)光纖熔接用的電弧放電區(qū)域在百微米量級(jí)，難以實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的精細(xì)加工。

圖3 使用電弧放電方法在光纖尖端制備不同曲率的球透鏡［20］Fig.3 Spherical lenses with different curvatures prepared at fiber tip by arc discharge method［20］

3.3 化學(xué)腐蝕

氫氟酸溶液作為一種有效的石英光纖蝕刻藥劑已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于光纖功能結(jié)構(gòu)的加工方面。該溶液可以快速有效地腐蝕光纖，便于大規(guī)模生產(chǎn)。通過控制氫氟酸溶液的濃度、溫度和蝕刻時(shí)間等參數(shù)，可以在光纖端面制備錐形結(jié)構(gòu)，用來制備光纖拉曼探針［25］（圖4）、光纖電極［26］和2D光導(dǎo)陣列［27］等。化學(xué)腐蝕方法雖然簡(jiǎn)單有效，但在環(huán)境和人體危害性方面有著諸多缺陷，另外工藝參數(shù)和工藝步驟的優(yōu)化需要投入大量的精力。

圖4 基于光纖端面化學(xué)腐蝕工藝的表面增強(qiáng)拉曼光譜傳感器制備［25］Fig.4 Preparation of surface enhanced Raman spectroscopy sensor based on chemical etching process of optical fiber end face［25］

3.4 聚焦離子束加工

聚焦離子束加工是一種典型的機(jī)械減材制造工藝，使用高能聚焦離子束可以從樣品表面去除原子，從而將圖案直接轉(zhuǎn)移到光纖端面或是覆蓋在光纖端面的金屬、介質(zhì)層上。聚焦離子束加工方法是一種無掩模圖案化加工方法［28］，按照加工對(duì)象可以分成對(duì)光纖本身的加工［29-31］和對(duì)覆蓋在光纖端面的功能材料的加工［32-36］2種方式。因?yàn)楣饫w不導(dǎo)電，需要特別考慮加工過程中的離子摻雜。在光纖端面的金膜上使用聚焦離子束加工的超表面如圖5所示［36］。另外，由于聚焦離子束加工設(shè)備的真空腔體有限，而光纖端面需要與離子源垂直，還需要考慮光纖的彎曲狀態(tài)。聚焦離子束的加工效率是其成為大批量制造的障礙之一。

圖5 使用聚焦離子束工藝在光纖端面金膜上制備的周期性納米陣列［36］Fig.5 Periodic nano arrays prepared on gold film at end of optical fiber by focused ion beam process［36］

3.5 飛秒激光減材制造

飛秒激光具有高瞬時(shí)功率的特性，可以快速有效將聚焦處材料進(jìn)行燒蝕而不對(duì)周圍材料造成較大影響。飛秒激光減材制造方法可以在光纖上制備微腔［38-39］、光柵結(jié)構(gòu)［40］和菲涅爾透鏡［41］、表面增強(qiáng)拉曼基底［37，42］等結(jié)構(gòu)，如圖6所示。該技術(shù)的制造精度主要取決于光束的質(zhì)量和位移平臺(tái)的精度。相比于聚焦離子束刻蝕工藝，在加工效率、加工精度方面的折中優(yōu)勢(shì)讓飛秒激光減材制造具有極大的應(yīng)用潛力。

圖6 使用飛秒激光在纖端上制備的高活性SERS基底［37］Fig.6 High activity SERS substrate prepared by femtosecond laser on end face of fiber［37］

3.6 光 刻

光刻是一種強(qiáng)大而精確的微納米加工方法，廣泛用于納米電子學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域。因?yàn)楣饫w端面的平面直徑在百微米量級(jí)，將傳統(tǒng)光刻工藝應(yīng)用于光纖端面本身或是功能化層面臨著眾多挑戰(zhàn)。首先，在光纖端面制備厚度均勻的光刻膠膜就是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)；其次，光纖的彎曲半徑有限，對(duì)設(shè)備腔體高度具有一定要求。其中，光刻膠層均勻性和光纖邊緣滴珠的難題可以通過“浸漬-振動(dòng)”方法［43-44］和改進(jìn)夾具［45］來解決。

光刻技術(shù)包括傳統(tǒng)意義上的光刻技術(shù)［46-47］、電子束光刻［45，48-49］、干涉光刻技術(shù)［50-51］和納米壓印光刻技術(shù)［52-53］等。電子束光刻工藝在光纖端面金膜上制備的周期性納米點(diǎn)陣列如圖7所示［49］。傳統(tǒng)光刻技術(shù)在制備納米結(jié)構(gòu)時(shí)需要高精度掩膜版，在制造靈活性方面略顯遜色。電子束光刻的制備效率仍然是限制大批量制造的主要因素。干涉光刻技術(shù)雖然效率高，但難以加工復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。納米壓印光刻技術(shù)是非常有潛力成為批量制作光纖端面功能結(jié)構(gòu)的技術(shù)之一。

圖7 使用電子束光刻工藝在光纖尖端制備的金納米點(diǎn)陣列的形貌［49］Fig.7 Morphology of gold nanodot arrays prepared at fiber tip by electron beam lithography［49］

3.7 自組裝

自組裝是一種方便、快速、廉價(jià)的大批量納米結(jié)構(gòu)制造方法，使用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)光纖表面進(jìn)行修飾，浸入納米材料懸濁液中可以通過靜電吸附帶負(fù)/正電荷的納米材料［54］。自組裝產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)通常是隨機(jī)分布的，不能精確控制，使用模板引導(dǎo)［55］和呼吸圖法［56-57］可能是有效的解決方案。使用聚苯乙烯微球自組裝工藝制備周期性金納米孔陣列的示意圖如圖8所示［56］，可以看出，自組裝工藝從本質(zhì)上講是一種非常經(jīng)濟(jì)的大批量制備方法。通過改進(jìn)夾具和制備流程等同時(shí)制備多根光纖，這種方案為高通量制造工藝提供了潛在的解決方案。

圖8 在光纖尖端制備自組裝金納米孔結(jié)構(gòu)的示意圖［56］Fig.8 Schematic diagram of self-assembled gold nanopore structure prepared at tip of fiber

3.8 薄膜沉積

化學(xué)氣相沉淀［58］和物理氣相沉淀［59-60］是生產(chǎn)高質(zhì)量薄膜和納米材料的常用方法。氣相沉積工藝可以在光纖端面大批量制造薄膜材料和納米結(jié)構(gòu)，能夠降低制造時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，但是在制造具有精確幾何結(jié)構(gòu)的陣列方面具有局限性。

3.9 3D激光直寫

雙光子光刻作為一種典型的3D激光直寫技術(shù)，其系統(tǒng)由飛秒激光器、光致抗蝕劑（光刻膠）和高精度位移平臺(tái)組成。飛秒激光在光刻膠上引起的雙光子吸收引發(fā)光刻膠的聚合，雙光子聚合可以構(gòu)建多種亞百納米特征的3D納米結(jié)構(gòu)，例如懸臂梁結(jié)構(gòu)，它和光纖端面配合可以實(shí)現(xiàn)氫氣［61］和力參數(shù)［62］的測(cè)量；在光纖端面構(gòu)建大數(shù)值孔徑的透鏡可以實(shí)現(xiàn)光鑷［63-64］，在光纖端面制備周期性微納結(jié)構(gòu)可以構(gòu)建高活性表面增強(qiáng)拉曼散射基底［65-66］。使用雙光子聚合工藝在光纖端面制備的菲涅爾透鏡及其性能如圖9所示［63］。

圖9 雙光子聚合工藝制備的纖端透鏡及其性能［63］Fig.9 Fiber tip lens prepared by two-photon polymerization process and its performance［63］

3.10 材料轉(zhuǎn)移

上述方法都是直接對(duì)光纖尖端或是光纖端面上的功能層進(jìn)行加工。功能材料轉(zhuǎn)移法作為一種間接方法，可將提前制備好的微納結(jié)構(gòu)或是功能材料轉(zhuǎn)移到光纖端面［67］。得益于在平面基底上制備納米結(jié)構(gòu)和功能材料層的成熟技術(shù)，該方法得到了廣泛的應(yīng)用。材料轉(zhuǎn)移法分為層狀功能材料轉(zhuǎn)移和納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移。層狀功能材料轉(zhuǎn)移方法包括：（1）功能材料溶液或是懸濁液浸漬法［2，3，68-69］，將光纖端面浸漬到分散有功能材料的溶液或是懸浮液中，溶劑蒸發(fā)后材料薄膜就會(huì)沉積在光纖端面和側(cè)面，通過提拉法可以控制膜厚；（2）基底溶解轉(zhuǎn)移法［70］：將功能材料制備在平面基底上，然后溶解基底，采用類似于“抄底”的方法將功能材料層轉(zhuǎn)移到光纖端面。雖然上述直接轉(zhuǎn)移方法可以將大面積的層狀功能材料直接轉(zhuǎn)移到光纖端面，但是很難精確控制層狀功能材料的厚度和沉積形狀。逐層沉積法是一種靈活且精確的解決方案［71］，但低制備效率阻礙了這種方法的大規(guī)模應(yīng)用。

納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移方法主要有薄膜釋放法［72-73］和膠粘法［74-75］。因?yàn)榇蟛糠治⒓{結(jié)構(gòu)是離散的，基底溶解法并不太適用于納米結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移。薄膜釋放法主要是將微納結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到可溶解的薄膜上，然后將光纖端面對(duì)準(zhǔn)并壓到微納結(jié)構(gòu)所在的薄膜區(qū)域，利用溶解等方法去除薄膜，通過范德華力將微納結(jié)構(gòu)和光纖端面緊密貼合。采用薄膜釋放法將金納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到光纖端面上的制備流程如圖10所示。這種工藝要求光纖端面和承載微納結(jié)構(gòu)的薄膜具有較高的平整度，以便獲得足夠的范德華力進(jìn)行結(jié)合。膠粘法是將光纖端面涂覆膠水，然后將光纖纖芯和超表面中心對(duì)準(zhǔn)，膠水固化后利用膠水與微納結(jié)構(gòu)的黏合強(qiáng)度高于微納結(jié)構(gòu)與基底的黏接強(qiáng)度的原理，將基底上的微納結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到膠水上。熱固化膠水、紫外固化膠水和導(dǎo)電膠等都是比較好的選擇。

圖10 采用薄膜釋放法轉(zhuǎn)移基于金膜的納米結(jié)構(gòu)到光纖端面示意圖［72］Fig.10 Schematic diagram of transferring gold nanostructuresto fiber end faceby thin film releasemethod［72］

4 纖端超表面的加工工藝

超材料是一種通過在亞波長(zhǎng)尺度的介質(zhì)或金屬結(jié)構(gòu)人工排列而得到的一種人造復(fù)合材料［76-77］。作為實(shí)現(xiàn)非常規(guī)光與物質(zhì)相互作用的一種解決方案，超材料可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)場(chǎng)操控［78］。然而，因?yàn)槿S納米結(jié)構(gòu)制造工藝的復(fù)雜性，超材料在光學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用仍然有限，因此具有二維納米結(jié)構(gòu)和較好片上器件可兼容性、集成性的超表面引起了科研人員的極大興趣。

超表面不同于傳統(tǒng)光學(xué)元件的特征有：（1）入射光束穿過超表面或是被超表面反射后，波前成形在距離界面小于波長(zhǎng)距離內(nèi)完成；（2）能夠以亞波長(zhǎng)分辨率設(shè)計(jì)振幅、相位和偏振響應(yīng)的空間分布；（3）超表面的納米結(jié)構(gòu)與光場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)均發(fā)生相互作用，這使得控制器件的光學(xué)阻抗成為可能。超表面和光纖的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合可以在納米尺度上控制光，不僅擴(kuò)展了傳統(tǒng)光纖器件的應(yīng)用范圍，還大大提高了超表面的實(shí)用性［79-81］。超表面和光纖的集成方法作為實(shí)現(xiàn)纖上光操縱能力的關(guān)鍵，促使科研人員不斷探索新的制造策略。近年來，科研人員將超表面制備或轉(zhuǎn)移到光纖端面的方法不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，主要成果總結(jié)如下：

（1）雙光子聚合：Asadollahbaik等使用基于飛秒激光的雙光子聚合在單模光纖端面打印了超表面，構(gòu)建光鑷實(shí)現(xiàn)了粒子的捕獲［82］。Plidschun等使用雙光子聚合工藝在單模-多模光纖級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)端面制備了同心圓環(huán)狀的超表面，實(shí)現(xiàn)了聚苯乙烯小球、二氧化硅微球和大腸桿菌的捕獲［63］。Yu等使用雙光子聚合技術(shù)在光纖端面制備了螺旋波帶片，可以有效地將入射光束聚集并轉(zhuǎn)換成單焦點(diǎn)渦旋光束［83］。

（2）自組裝：Ravindranath等采用自組裝聚苯乙烯微球和金層濺射工藝獲得的雙納米孔天線，實(shí)現(xiàn)了30 nm聚苯乙烯微球、核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶和牛血清蛋白的捕獲［84］。Pisco等采用自組裝聚苯乙烯微球?qū)雍蜔嶙枵艚鸸に囋诠饫w端面制備具有六邊形晶格排布的金納米孔超表面，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2 300 nm/RIU的靈敏度［85］。

（3）納米壓印光刻方法：Scheerlinck等采用紫外納米壓印光刻技術(shù)將基于周期性光柵結(jié)構(gòu)的超表面模板圖案轉(zhuǎn)移到光纖端面［86］。Kostovski等采用納米壓印光刻工藝將納米結(jié)構(gòu)模板（陽極氧化鋁模板和蟬翼）的圖案轉(zhuǎn)移到陣列光纖端面的光刻膠上［87］。Jia等采用高溫壓印的方式將硅模板上的超表面圖案轉(zhuǎn)移到塑料光纖陣列的端面上，大大提高了制備效率［88］。

（4）干涉光刻：Yang等采用干涉光刻的方法在光纖端面制備基于二氧化硅納米柱的超表面，使用電子束蒸發(fā)方法在超表面上沉積銀膜，構(gòu)建表面增強(qiáng)拉曼散射光纖探針，實(shí)現(xiàn)了甲苯蒸汽的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)［51］。

（5）電子束光刻工藝：Consales等使用電子束光刻工藝直接在光纖端面制備了基于周期性金納米孔的超表面，通過監(jiān)測(cè)共振峰的中心波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了折射率傳感，通過監(jiān)測(cè)光功率實(shí)現(xiàn)了聲波的監(jiān)測(cè)［43］。Ricciardi等使用電子束光刻工藝在光纖端面制備了基于周期性金納米孔陣列的超表面，實(shí)現(xiàn)了折射率傳感［89］。Sanders等使用電子束光刻方法在光纖表面制備周期性金納米陣列，以實(shí)現(xiàn)基于局域表面等離子體共振增強(qiáng)的生物探針，實(shí)現(xiàn)了癌蛋白生物標(biāo)志物的檢測(cè)［44］。Lin等使用電子束光刻方法在光纖端面上制備基于周期性金納米點(diǎn)陣列的超表面，構(gòu)建了基于局域表面等離子體共振效應(yīng)的光纖探針，用于生物素和鏈霉親和素的檢測(cè)［49］。

（6）聚焦離子束刻蝕：Yang等使用聚焦離子束工藝在光子晶體光纖端面的金膜上制備超表面，實(shí)現(xiàn)了透鏡的聚焦功能，空氣中的數(shù)值孔徑為0.37［90］。Giaquinto等將光纖端面作為基底，依次制備了基于正方形晶格金納米孔的超表面、水凝膠層和金層，構(gòu)建腔增強(qiáng)型光纖探針，其中超表面是使用聚焦離子束工藝制備的。通過改變輸入光功率實(shí)現(xiàn)了光機(jī)驅(qū)動(dòng)［91］。此外，通過熱響應(yīng)智能材料對(duì)纖端的超表面進(jìn)行功能化，可以表征光纖尖端的熱等離子體效應(yīng)［92］。Dhawan等使用聚焦離子束工藝在光纖端面的金膜上制備基于正方形晶格周期性納米孔的超表面，實(shí)現(xiàn)了折射率的傳感［32］。Lan等使用聚焦離子束在光纖端面的金膜上制備正方形晶格的納米孔，實(shí)現(xiàn)了溶液折射率的測(cè)量［93］。Berthelot［94］和Eter［95］等采用聚焦離子束刻蝕方法在錐形光纖尖端金膜上制備蝴蝶結(jié)納米孔天線，構(gòu)建近場(chǎng)納米光鑷，實(shí)現(xiàn)了微球的三維光學(xué)操控。Gelfand等使用聚焦離子束刻蝕方法在光纖端面的金膜上制備雙納米孔天線，實(shí)現(xiàn)了20 nm和40 nm聚苯乙烯微球的捕獲［97］。Mivelle等使用聚焦離子束刻蝕方法在光纖尖端的鋁層上制備蝶形納米天線，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子晶體的慢布洛赫波激光模式的近場(chǎng)探測(cè)［98］。Guan等在單模光纖尖端的金膜上使用聚焦離子束刻蝕方法制備單縫和1D槽陣列，產(chǎn)生了類艾里光束［99］。該微納結(jié)構(gòu)與多芯光纖結(jié)合，構(gòu)成了一種可以產(chǎn)生多偏轉(zhuǎn)光束的光纖光鑷［100］。

（7）超表面轉(zhuǎn)移方法：Smythe等使用硫醇烯薄膜將基于周期性金納米結(jié)構(gòu)的超表面從硅片上剝離，然后將薄膜覆蓋到光纖端面，使用氧等離子體刻蝕設(shè)備將硫醇烯薄膜刻蝕掉，通過范德華力將超表面與光纖端面結(jié)合在一起，進(jìn)而構(gòu)建表面增強(qiáng)拉曼探針，實(shí)現(xiàn)了苯硫醇等化學(xué)物質(zhì)的檢測(cè)［73］。Lipomi等使用配有金剛石刀片的超薄切片機(jī)，將封裝在環(huán)氧樹脂中的基于金納米柱結(jié)構(gòu)的超表面手動(dòng)轉(zhuǎn)移到光纖端面上［101］。Shambat等使用環(huán)氧樹脂膠水將基于砷化鎵材質(zhì)的周期性納米孔超表面與光纖端面粘接，然后將超表面轉(zhuǎn)移到光纖端面上［102］。Jung等使用離子束切割和微型針尖輔助的方法，將超表面微型基板轉(zhuǎn)移到光纖端面上［103］。Du等使用環(huán)氧樹脂膠水將基于金周期型納米孔陣列的超表面轉(zhuǎn)移到多模光纖的端面，并結(jié)合二硫化鎢薄膜實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲醇蒸汽的監(jiān)測(cè)［104］。Zhao等使用膠粘法將基于金膜的超表面轉(zhuǎn)移到具有斜角的光纖端面上，實(shí)現(xiàn)了較好的折射率靈敏度和諧振峰品質(zhì)因數(shù)［105］。Jia等使用膠粘法將多種金納米結(jié)構(gòu)的超表面轉(zhuǎn)移到光纖端面上，包括光柵結(jié)構(gòu)、六邊形晶格和正方形晶格的金納米孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了牛血清白蛋白的測(cè)定［106］；此外，他們還使用膠粘法將基于準(zhǔn)周期納米孔陣列轉(zhuǎn)移到光纖端面，得到了具有較好品質(zhì)因數(shù)的諧振峰［107］。Liu等采用熱固化膠水將超表面轉(zhuǎn)移到光纖端面，結(jié)合絲素蛋白薄膜實(shí)現(xiàn)了濕度的測(cè)量［96］；進(jìn)一步，將纖端超表面構(gòu)建的局域表面等離子體共振探針結(jié)合氧化石墨烯薄膜和動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法，構(gòu)建光學(xué)條形碼，實(shí)現(xiàn)了濕度的直接讀取［108］。采用電子束光刻工藝在石英基底的金膜上制備超表面，基于熱固化膠水的膠粘法將超表面轉(zhuǎn)移至光纖端面的典型工藝，如圖11所示［96］。

圖11 基于熱固化膠水的膠粘法轉(zhuǎn)移金屬基超表面的典型工藝制備流程［96］Fig.11 Typical process flow of transferring metallic metasurface by adhesive method based on heat curing glue［96］

基于纖端超表面的纖上實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，需要綜合考慮制造成本、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)數(shù)量、工藝復(fù)雜性及可靠性等參數(shù)。相比于其他技術(shù)，納米壓印光刻技術(shù)雖然在納米結(jié)構(gòu)制備靈活性上略微遜色，但從制造成本、生產(chǎn)效率和批量生產(chǎn)方面考慮，該技術(shù)具有極大的潛力，有望讓多功能高集成度纖上實(shí)驗(yàn)室器件走向應(yīng)用。

5 結(jié)論和展望

本文綜述了多種基于纖端功能化纖上實(shí)驗(yàn)室器件的制備方法和纖端超表面制造方法，提供多種實(shí)現(xiàn)解決方案，以便于開發(fā)針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景的靈活、多功能即插即用且兼容現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的光纖平臺(tái)。盡管光纖端面具有非凡的特質(zhì)，超表面具有讓人驚喜的特性，但目前光纖端面和超表面的結(jié)合仍有進(jìn)步的空間，未來在制造大批量、低成本、高效率的基于纖端超表面增強(qiáng)的多功能光纖尖端方面仍需投入大量的精力。