Herstellung und Charakterisierung von Disordered Optische Polymerfasern für Quer Anderson Localization of Light

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, eine ungeordnete optische Faser zur transversalen Anderson-Lokalisierung von Licht herzustellen und zu charakterisieren. Dies wird zunächst erreicht, indem Stränge aus Polymethylmethacrylat und Polystyrol gemischt und ein Vorformling für den Ziehprozess hergestellt wird. Der zweite Schritt besteht darin, das Brechungsindexprofil der gezogenen Faser abzubilden.

Nachdem die PMMA-Fasern gelöst wurden, erfolgt die Untersuchung mittels Rasterelektronenmikroskopie. Anschließend werden die Proben einer gezogenen Faser gespalten und poliert, um die optische Charakterisierung der Anderson-Lokalisierung durchzuführen. Der letzte Schritt besteht darin, die Proben in dem optischen Aufbau zu testen, indem die ungeordnete Faser mit Licht eines Helium-Neon-Lasers beleuchtet wird.

Schließlich wird das Intensitätsprofil des lokalisierten Strahls auf einem CCD-Kamera-Strahlprofiler abgebildet. Um die transversale Anderson-Lokalisierung von Licht zu zeigen, beginnen Sie damit, etwa 200 PMMA-Stränge auf einem Tisch zu verteilen und dann die gleiche Anzahl Polystyrol-Stränge auf die PMMA-Stränge zu legen. Mischen Sie die Stränge miteinander und schieben Sie sie anschließend zur Seite.

Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis 40.000 Stränge aus PMMA zufällig mit 40.000 Strängen aus Polystyrol vermischt sind. Anschließend werden die zufällig gemischten Stränge zu einem quadratischen Vorformling mit Seitenlängen von etwa 2,5 Zoll zusammengefügt. Danach wird der Vorformling von einem Unternehmen, das auf diese Art von Verfahren spezialisiert ist, zu einer optischen Faser mit einem Durchmesser von 250 Mikrometer gezogen.

Dies entspricht einer etwa 64.000-fachen Verringerung der Querschnittsfläche der ursprünglichen Fasern. Tauchen Sie die polymeren optischen Fasern anschließend etwa 10 Minuten lang in flüssigen Stickstoff, um einen sauberen Bruch zu ermöglichen. Der flüssige Stickstoff kühlt die Fasern schnell ab und macht sie sehr spröde, während sie abkühlen.

Bereiten Sie ein Bad aus Ethylalkohol vor und erwärmen Sie es auf 65 Grad Celsius. Entfernen Sie nach 10 Minuten die Fasern aus dem flüssigen Stickstoff und brechen Sie sie schnell in zwei Hälften. Brechen Sie mindestens 20 Fasern zur Abbildung, da die Erfolgsrate für die Gewinnung einer glatten Oberfläche mit dieser Methode immer noch nur etwa 15 % beträgt. Tauchen Sie anschließend die gebrochenen Spitzen der Proben etwa drei Minuten lang in 70 %igen Ethylalkohol ein.

Während dieser Zeit löst das Ethylalkohol die PMMA-Stellen in der Faser auf und hinterlässt lediglich die Polystyrolfasern. Anschließend werden die Fasern auf einen Probenhalter gegeben und jede Probe mit einer 10 Nanometer dicken Schicht aus Gold-Palladium beschichtet. Danach werden die beschichteten Proben in die Kammer des Rasterelektronenmikroskops zur Abbildung gebracht, wobei das Brechungsindexprofil der Proben mit einem Elektronenstrahl von fünf Kilo-Elektronenvolt bei einer Vergrößerung analysiert wird, die eine optimale Auflösung der Fasern mit 0,9-Mikrometer-Durchmesser ermöglicht.

Bereiten Sie etwa 25 cm lange Faserproben für die optische Charakterisierung vor, indem Sie die Fasern auf 37 Grad Celsius vorwärmen und eine gekrümmte Klinge, die zum Schneiden der Fasern verwendet wird, auf 65 Grad Celsius erwärmen. Diese Temperaturen verhindern eine Verformung der Faserspitze, die während des Spaltvorgangs auftreten kann. Legen Sie als Nächstes eine Faserlinie auf eine Schneidfläche, sodass ein sauberer senkrechter Schnitt quer über die Spitze geführt werden kann.

Legen Sie dann die Klinge an die Seite der Faser und rollen Sie die Klinge schnell darüber. Halten Sie die Rasierklinge dabei stets im rechten Winkel zur Faser. Überprüfen Sie die Faserspitze mithilfe eines optischen Mikroskops, um sicherzustellen, dass die Faserspitze senkrecht zu den Faserseiten abgespalten wurde.

Dies ermöglicht eine verbesserte Kopplung in einem späteren Schritt des Verfahrens. Anschließend polieren Sie jede Faser einzeln, indem Sie sie 1,5 Millimeter von einem Ende entfernt festhalten und die Faser über einen Zoll lang in Acht-förmigen Bahnen auf 0,3-Mikrometer-Aluminiumoxid-Polierpapier ziehen.

Erzeugen Sie ungefähr acht Schleifen, um sicherzustellen, dass die gesamte Spitze poliert wird. Koppeln Sie dann einen Helium-Neon-Laser, der Licht mit einer Wellenlänge von 633 Nanometern emittiert, an eine vier Mikrometer durchmessende SMF-630-HP-Faser. Bringen Sie hierzu zunächst ein 20×-Objektiv auf einem Objektträger mit drei Freiheitsgraden an.

Bringen Sie außerdem zwei ebene Spiegel mit zwei Freiheitsgraden an. Platzieren Sie zunächst die SMF-Faser acht Millimeter vom Objektivende entfernt und positionieren Sie dann die Spiegel und das Objektiv so um, dass das Laserlicht auf die Faserspitze gelenkt wird. Nach der Ausrichtung verbinden Sie das andere Ende der SMF-Faser mit einem Leistungsmesser.

Passen Sie die Position der Spiegel und der Objektivlinse weiter an, bis eine eingekoppelte Leistung von einem Milliwatt erreicht ist. Ein Milliwatt ist ausreichend für die Fasercharakterisierungsmessungen. Koppeln Sie anschließend die SMF 630 HP-Faser mit der polymeren optischen Faser.

Mit einem motorisierten Objekttisch sollte dieser in alle drei kartesischen Richtungen bewegt werden können. Zunächst werden die beiden Fasern mithilfe der transversalen Steuerung zentriert. Anschließend wird die SMF-Faser durch longitudinale Verschiebung so nah wie möglich an die Polymerfaser herangeführt.

Ein kleinerer Luftspalt zwischen der SMF-Faser und der Polymerfaser verringert die Strahlaufweitung. Stellen Sie danach das gesamte Aufbau auf eine zweite motorisierte Plattform, die sich in longitudinaler Richtung bewegt. Die zweite motorisierte Plattform dient der Justage des Strahls mit der CCD-Kamera.

Beobachten Sie anschließend die Position der Fasern mithilfe eines optischen Mikroskops und eines rechtwinkligen Spiegels. Eine geringe Neigung oder Verformung der Polymerfaserspitze infolge der Spalt- oder Polierprozesse kann den minimalen Luftspalt zwischen der SMF und der Polymerfaser begrenzen. Verwenden Sie danach einen CCD-Kamera-Strahlprofiler, um die Faseremission mit einem 40×-Objektiv zu messen.

Zunächst saturieren Sie die CCD-Kamera, um die Grenzen der Polymerfaser mithilfe der Knöpfe am Objekthalter zu überwachen. Stellen Sie sicher, dass die Grenzen der Polymerfaser auf der CCD sichtbar sind. Anschließend verwenden Sie den motorisierten Tisch, um das Bild auf der CCD-Kamera zu fokussieren, indem Sie die Apparatur von dem 40×-Objektiv wegbewegen oder darauf zubewegen, während die CCD-Kamera und das Objektiv fixiert sind.

Schließlich wird der aus der SMF austretende einfallende Strahl quer über die Spitze der Polymerfaser geführt, um die Lokalisierung in verschiedenen Bereichen der Polymerfaser zu beobachten. Messen Sie die Intensität des Ausgangsstrahls bei verschiedenen Positionen des einfallenden Strahls im abgedunkelten Raum. Erfassen Sie Daten an fünf verschiedenen Positionen des einfallenden Strahls und führen Sie die Messungen an 20 Faserproben durch, insgesamt also 100 verschiedene Messungen.

100 verschiedene Messungen der Strahlprofile werden anschließend gemittelt, um die transversale Anderson-Lokalisierung der Faser darzustellen. Gezeigt ist hier das Endprodukt einer polierten Polymerfaserspitze. Das Elektronenmikroskopbild der Polymerfaserspitze zeigt, dass die meisten Bereiche nach diesem Protokoll gut poliert sind.

Wenn die Polymethylmethacrylat-Fasern weggelöst sind und nur noch Ethanol vorhanden ist, verbleiben lediglich die Polystyrol-Fasern. Dies wird als Brechungsindexprofil bezeichnet, das die Anordnung der Polystyrol- und Polymethylmethacrylat-Fasern deutlich zeigt. Ein Beispiel für ein Intensitätsprofil, wie es nach fünf Zentimetern Ausbreitung von einer CCD-Kamera gemessen wurde, ist hier dargestellt.

Rot zeigt das lokalisierte Profil und Gelb ist das Ausläuferende der Intensität. Dieses Bild zeigt eine Faser, die in transversaler Richtung der ungeordneten Faser lokalisiert ist.