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用于流体环境中基于氮空位集合体的内窥镜的锥形超高数值孔径光纤尖端

DOI：10.1063/1.5140785 期刊：Applied Physics Letters 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 在多模光纤(MMF)顶端固定含有高密度氮空位(NV)色心集合体的金刚石，拓展了基于NV的内窥镜传感器应用。采用锥形多模光纤(MMF-taper)替代常规MMF后，不仅提升了金刚石的荧光(FL)收集效率，还实现了高空间分辨率的NV基内窥镜。MMF-taper的高效FL收集源于其锥形区域因二氧化硅折射率(RI)高于周围空气而产生的多重内反射。然而对于流体环境RI接近或高于二氧化硅的应用场景，MMF-taper的FL收集能力会显著下降。为此，我们提出锥形超高数值孔径微结构光纤(MOF)的创新方案——通过密封其锥形末端的空气毛细管。由于沿锥形MOF(MOF-taper)末端密封的空气毛细管将光纤芯与周围介质隔离，该光纤芯在任意RI值的液体中均能保持高效FL收集和NV激发性能。用MOF-taper替代MMF-taper将实现多功能NV基内窥镜，有望广泛应用于存在大量生物过程与化学反应的流体环境。
作者： Dewen Duan，Gopalakrishnan Balasubramanian，Vinaya Kumar Kavatamane，Sri Ranjini Arumugam，Yan-Kai Tzeng，Huan-Cheng Chang
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

为克服在流体环境中实现高空间分辨率基于氮空位（NV）内窥镜的挑战，提出一种锥形超高数值孔径微结构光纤（MOF），其锥端处的空气毛细管被密封。

研究成果

基于NV色心的内窥镜所概念性提出的超高数值孔径MOF锥形结构，在任意折射率值的液体中均具有较高的荧光收集效率。该结构在折射率高达n=1.51的浸油中展现出卓越性能，表明其在化学和生物研究相关流体样本中具有潜在应用价值。

研究不足

本工作采用的密封工艺会产生较长的密封区域，这在一定程度上破坏了MOF锥形结构或MOF的超高中数值孔径（NA），导致荧光（FL）收集效率和NV激发效率降低。建议采用先进的密封技术以实现更短的密封区域。

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