用于光横向安德森局域化的无序聚合物光纤的制备与表征

本实验的总体目标是制备并表征一种用于实现光横向安德森局域化的无序光纤。首先将聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯纤维混合，制备拉丝用预制棒；第二步是对拉制出的光纤进行折射率分布成像。

使用扫描电子显微镜溶解PMMA纤维后，接下来将拉制光纤的样品进行劈裂和抛光，以进行安德森局域化的光学表征。最后一步是在光学装置中测试样品，用氦氖激光照射无序光纤。

最终，将局域化光束的输出强度分布成像于CCD相机光束分析仪上。为了展示光的横向安德森局域化现象，首先在桌面上铺开约200根PMMA纤维，然后在PMMA纤维上铺上相同数量的聚苯乙烯纤维。将这些纤维混合均匀后，移至一侧备用。

重复此步骤，直至 40,000 根 PMMA 单丝与 40,000 根聚苯乙烯单丝实现随机混合。随后将这些随机混合的单丝组装成一个边长约 2.5 英寸的方形预制棒。接下来，将该预制棒交由专业公司拉制成直径为 250 微米的光学纤维。

这相当于原始纤维横截面积减少了约 64,000 倍。然后将聚合物光纤浸入液氮中约 10 分钟，以获得清晰的断裂面。液氮会迅速冷却光纤，使其变得非常脆。

将乙醇置于水浴中并加热至65摄氏度。10分钟后，从液氮中取出纤维，并迅速将其折断成两半。为成像需要至少折断20根纤维，因为获得平整表面的成功率仍仅为约15%。随后，将样品的断裂端浸入70%乙醇中约三分钟。

在此期间，乙醇会溶解纤维中的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）区域，仅留下聚苯乙烯纤维。接下来，将纤维置于样品台上，并在每个样品表面镀上一层10纳米厚的金钯合金。然后将镀膜后的样品放入扫描电子显微镜的样品室进行成像，使用5 keV的电子束，在能够最清晰分辨直径为0.9 µm纤维的放大倍数下观察样品的折射率分布图像。

将光纤样品预热至 37 摄氏度，并将用于切割光纤的弧形刀片加热至 65 摄氏度，以准备长度约为 25 厘米的光纤样品进行光学表征。这些温度可防止在切割过程中光纤尖端发生形变。接下来，将光纤置于切割表面上，使其能够对光纤尖端进行整齐的垂直切割。

然后将刀片置于光纤侧面，快速将刀片沿光纤滚动。始终保持刀片与光纤成直角。使用光学显微镜检查光纤端面，确保光纤端面被切割得与光纤侧面垂直。

这有助于在后续操作中实现更好的耦合。接下来，依次对每根光纤进行抛光：夹住光纤一端起1.5毫米处，将光纤以“8”字形轨迹在0.3微米的氧化铝抛光纸上移动一英寸长度。

制作大约八个环路，以确保整个尖端得到充分抛光。然后将一个发射波长为633纳米的氦氖激光器耦合到直径为四微米的SMF 630 HP单模光纤上。为此，首先将一个20倍物镜放置在具有三个自由度的载物台上。

同时安装两个具有两个自由度的平面反射镜。首先将单模光纤（SMF）置于物镜尖端8毫米处，然后调整反射镜和物镜的位置，使激光对准光纤尖端。对准后，将单模光纤（SMF）的另一端连接至功率计。

继续调整反射镜和物镜的位置，直至耦合功率达到一毫瓦。一毫瓦的功率已足以进行光纤表征测量。接下来，将SMF 630 HP光纤与聚合物光纤进行耦合。

使用电动平台时，该平台应能够在全部三个笛卡尔方向上移动。首先，利用横向控制将两根光纤居中对准。然后使用纵向位移，将单模光纤尽可能靠近聚合物光纤。

减小单模光纤与聚合物光纤之间的空气间隙可降低光束的发散程度。接下来，将整个装置放置在第二个可在纵向移动的电动平移台上。该电动平移台将用于对准光束与CCD相机。

然后使用光学显微镜和直角反射镜观察纤维的位置。由于切割或抛光过程可能导致聚合物光纤端面出现微小倾斜或形变，从而限制单模光纤（SMF）与聚合物光纤之间的最小空气间隙。接下来，使用CCD相机光束分析仪，配合40倍物镜，测量光纤的输出光束。

首先，通过调节物镜架上的旋钮，使CCD相机达到饱和，以观察聚合物纤维的边界。确保聚合物纤维的边界能够在CCD上被清晰观察到。然后，在保持CCD相机和40倍物镜固定不动的情况下，利用电动载物台移动整个装置远离或靠近物镜，从而在CCD相机上实现图像聚焦。

最后，将从单模光纤出射的入射光束在聚合物光纤尖端进行横向扫描，以观察聚合物光纤不同区域中的局域化现象。在关闭光源的条件下，测量不同入射光束位置对应的输出光束强度。对入射光束的五个不同位置进行数据采集，并对20根光纤样品重复上述测量，共获得100组不同的测量数据。

随后对光束轮廓的100次不同测量结果进行平均，以展示光纤中的横向安德森局域化现象。图中所示为经过抛光处理的聚合物光纤尖端的最终产物。聚合物光纤尖端的电子显微镜图像表明，采用本方案处理后，大部分区域均实现了良好的抛光效果。

当聚甲基丙烯酸甲酯纤维被溶解去除，仅留下乙醇中的聚苯乙烯纤维时，所得到的结果即为折射率分布图，该图可清晰显示聚苯乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯纤维的排列情况。此处展示的是经过五厘米传播后，由CCD相机测得的一个强度分布示例。

红色表示无序光纤横向方向上局域化的轮廓，黄色表示强度的拖尾部分。该图像为在无序光纤横向方向上发生局域化的光纤的图像。