تصنيع وتوصيف المختلين بوليمر ألياف البصرية لعرضية أندرسون توطين الضوء

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع وتوصيف ليف بصري غير منتظم لتحقيق توطين أندرسون العرضي للضوء. يتم تحقيق ذلك أولاً عن طريق خلط خيوط من بوليميثيل ميثاكريلات وبولي ستيرين، وصنع شكل أولي لعملية السحب. والخطوة الثانية هي تصوير ملف معامل الانكسار لليف المسحوب.

بمجرد إذابة ألياف PMMA باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، يتم بعد ذلك شطر عينات من الليفة المسحوبة وصقلها من أجل التوصيف البصري لتمركز أندرسون. وتتمثل الخطوة النهائية في اختبار العينات في التجهيزة البصرية عن طريق إضاءة الليفة غير المنتظمة بضوء ليزر الهيليوم نيون.

في النهاية، يتم تصوير ملف شدة مخرجات الشعاع الموضعي باستخدام جهاز تحليل ملف الشعاع بكاميرا CCD. لإظهار التمركز الأندرسوني المستعرض للضوء، ابدأ بنشر حوالي 200 خيط من PMMA على طاولة، ثم انشر نفس العدد من خيوط البولي ستيرين فوق خيوط PMMA. اخلط الخيوط معاً ثم ضعها جانباً.

كرر هذا الإجراء حتى يتم خلط 40,000 خيط من PMMA عشوائياً مع 40,000 خيط من البوليسترين. ثم قم بتجميع الخيوط المختلطة عشوائياً في شكل مسبقة تشكيل (preform) مربعة ذات أضلاع يبلغ طولها حوالي 2.5 بوصة. بعد ذلك، يتم سحب مسبقة التشكيل لتحويلها إلى ليفة بصرية بقطر 250 ميكرون بواسطة شركة متخصصة في هذا النوع من الإجراءات.

يمثل هذا تقليلاً في مساحة المقطع العرضي للألياف الأصلية بنحو 64,000 مرة. بعد ذلك، اغمر الليف البصري البوليمري في النيتروجين السائل لمدة 10 دقائق تقريباً، لضمان إمكانية إحداث كسر نظيف. حيث يعمل النيتروجين السائل على تبريد الليف بسرعة، مما يجعله هشاً للغاية أثناء تبريده.

قم بتحضير حمام من الإيثيل كحول وسخنه حتى 65 درجة مئوية. بعد 10 دقائق، أخرج الألياف من النيتروجين السائل وقم بكسرها بسرعة إلى نصفين. اكسر ما لا يقل عن 20 ليفة لأغراض التصوير، حيث أن معدل النجاح في الحصول على سطح أملس لا يزال حوالي 15% فقط عند استخدام هذه الطريقة، ثم اغمر الأطراف المكسورة من العينات في إيثيل كحول بتركيز 70% لمدة ثلاث دقائق تقريباً.

خلال هذا الوقت، يعمل الكحول الإيثيلي على إذابة مواقع PMMA في الليف، تاركاً وراءه ألياف البوليسترين فقط. بعد ذلك، ضع الألياف على حامل عينات وقم بطلاء كل عينة بطبقة من ذهب البالاديوم بسمك 10 nanometer. ثم ضع العينات المطلية في غرفة المجهر الإلكتروني الماسح للتصوير، وصوّر ملف معامل الانكسار للعينات باستخدام حزمة إلكترونية بجهد 5 kilo electron volt وبقوة تكبير تسمح بأفضل دقة للألياف ذات القطر 0.9 micron.

قم بتحضير عينات ألياف بطول 25 سنتيمتر تقريبًا للتوصيف البصري عن طريق التسخين المسبق للألياف حتى 37 درجة Celsius والشفرة المنحنية المستخدمة لقطع الألياف حتى 65 درجة Celsius. تمنع هذه الدرجات من الحرارة تشوه طرف الليف الذي قد يحدث أثناء عملية القطع. بعد ذلك، ضع الليف في خط مستقيم على سطح القطع بحيث يمكن إجراء قطع عمودي نظيف عبر الطرف.

بعد ذلك، ضع الشفرة على جانب الليف وقم بدحرجتها فوقه بسرعة. حافظ على الشفرة بزاوية قائمة مع الليف في جميع الأوقات. افحص طرف الليف باستخدام مجهر ضوئي للتأكد من أن طرف الليف قد قُطع بشكل عمودي على جوانب الليف.

يتيح ذلك تحسين عملية الربط لاحقاً في الإجراء. بعد ذلك، قم بتلميع كل ليفة على حدة عن طريق إمساكها على بُعد 1.5 millimeters من أحد الطرفين، وسحب الليفة على طول بوصة واحدة في مسارات على شكل رقم ثمانية باللغة الإنجليزية على ورق تلميع من أكسيد الألمنيوم بحجم 0.3 micron.

قم بعمل ثماني حلقات تقريبًا لضمان صقل الطرف بالكامل. بعد ذلك، قم بتوصيل ليزر هيليوم نيون يبعث ضوءًا بطول موجي 633 nanometer بألياف SMF 630 HP ذات قطر 4 micron. ولتحقيق ذلك، ضع أولاً عدسة شيئية 20x على منصة ذات ثلاث درجات من حرية الحركة.

ضع أيضاً مرآتين مسطحتين بـدرجتين من حرية الحركة. في البداية، ضع ليف SMF على بُعد ثمانية مليمترات من طرف العدسة الشيئية، ثم أعد وضع المرايا والعدسة الشيئية لتوجيه ضوء الليزر إلى طرف الليف. وبمجرد إتمام عملية المحاذاة، قم بتوصيل الطرف الآخر من ليف SMF بمقياس القدرة.

استمر في ضبط وضع المرايا والعدسة الشيئية حتى يتم تحقيق قدرة اقتران تبلغ 1 mW. وتعتبر قدرة 1 mW كافية لقياسات توصيف الألياف. بعد ذلك، قم باقتران ليف SMF 630 HP بالليف البصري البوليمري.

باستخدام منصة آلية، حيث يجب أن تكون المنصة الآلية قادرة على التحرك في جميع الاتجاهات الديكارتية الثلاثة. أولاً، قم بمحاذاة الليفين معاً في المركز باستخدام التحكم المستعرض. ثم استخدم الإزاحة الطولية لتحريك ليف SMF ليكون أقرب ما يمكن من الليف البوليمري.

سيؤدي تقليل الفجوة الهوائية بين ليف SMF والليف البوليمري إلى تقليل تباعد الحزمة. بعد ذلك، ضع الجهاز بالكامل على منصة آلية ثانية تتحرك في الاتجاه الطولي. ستُستخدم المنصة الآلية الثانية لمحاذاة الحزمة مع كاميرا CCD.

بعد ذلك، راقب موضع الألياف باستخدام مجهر ضوئي ومرآة قائمة الزاوية. حيث يمكن أن يؤدي وجود ميل أو تشوه بسيط في طرف الليف البوليمري نتيجة لعمليات القطع أو التلميع إلى الحد من الحد الأدنى للفجوة الهوائية بين ليف SMF والليف البوليمري. تالياً، استخدم جهاز تحليل شعاعي بكاميرا CCD لقياس مخرج الليف باستخدام عدسة شيئية 40 x.

أولاً، قم بإشباع كاميرا CCD لمراقبة حدود ليف البوليمر باستخدام المقابض الموجودة على حامل الشيئية. تأكد من إمكانية رؤية حدود ليف البوليمر على شاشة CCD. بعد ذلك، استخدم المنصة الآلية لتركيز الصورة على كاميرا CCD عن طريق تحريك الإعداد بعيداً عن الشيئية 40x أو باتجاهها بينما تظل كاميرا CCD والشيئية ثابتتين.

أخيراً، قم بمسح شعاع السقوط الخارج من الـ SMF عرضياً عبر طرف الليف البوليمري لملاحظة التمركز في مناطق مختلفة من الليف البوليمري. قم بقياس شدة الشعاع الخارج لمواقع مختلفة لشعاع السقوط مع إطفاء الأنوار. اجمع البيانات عند خمسة مواقع مختلفة لشعاع السقوط وأجرِ القياسات لـ 20 عينة من الألياف، ليكون المجموع 100 قياس مختلف.

يتم بعد ذلك حساب متوسط 100 قياس مختلف لملفات الحزمة لإظهار توطين أندرسون المستعرض للألياف. يظهر هنا المنتج النهائي لطرف ليف بوليمري مصقول. وتوضح صورة المجهر الإلكتروني لطرف الليف البوليمري أن معظم المناطق تنتهي بكونها مصقولة جيداً باتباع هذا البروتوكول.

عند إذابة ألياف بولي ميثيل ميثاكريلات في الإيثانول، تتبقى ألياف البولي ستيرين فقط. وهذا ما يعرف بملف معامل الانكسار، والذي يوضح بسهولة ترتيب ألياف البولي ستيرين وبولي ميثيل ميثاكريلات. ويظهر هنا مثال لملف الشدة كما تم قياسه بواسطة كاميرا CCD بعد خمسة سنتيمترات من الانتشار.

يشير اللون الأحمر إلى المقطع الموضعي واللون الأصفر إلى ذيل الكثافة. هذه الصورة لليف موضعي في الاتجاه المستعرض لليف غير المنتظم.