Fabricación y Caracterización de Polímeros desordenados Fibras ópticas para Transversal Anderson Localización de Luz

El objetivo general de este procedimiento es fabricar y caracterizar una fibra óptica desordenada para la localización transversal de Anderson de la luz. Esto se logra primero mezclando hebras de polimetilmetacrilato y poliestireno, y elaborando un preformado para el proceso de estirado. El segundo paso consiste en obtener imágenes del perfil del índice de refracción de la fibra estirada.

Una vez que las fibras de PMMA se han disuelto, se utiliza microscopía electrónica de barrido. A continuación, las muestras de una fibra estirada se fracturan y pulen para la caracterización óptica de la localización de Anderson. El paso final consiste en probar las muestras en el montaje óptico iluminando la fibra desordenada con luz láser de helio-neón.

Finalmente, el perfil de intensidad de salida del haz localizado se proyecta sobre un perfilador de haz con cámara CCD. Para mostrar la localización transversal de Anderson de la luz, comience distribuyendo aproximadamente 200 hebras de PMMA sobre una mesa y luego distribuya el mismo número de hebras de poliestireno encima del PMMA. Mezcle las hebras y colóquelas después hacia un lado.

Repita este procedimiento hasta que 40.000 hebras de PMMA se mezclen aleatoriamente con 40.000 hebras de poliestireno. Luego, ensamble las hebras mezcladas aleatoriamente en una preforma cuadrada con lados de aproximadamente 2,5 pulgadas. A continuación, haga que una empresa especializada en este tipo de procedimiento estire la preforma en una fibra óptica con un diámetro de 250 micrones.

Esto representa aproximadamente una reducción de 64.000 veces en el área de la sección transversal de las fibras originales. Luego, sumerja la fibra óptica de polímero en nitrógeno líquido durante unos 10 minutos, para poder obtener una fractura limpia. El nitrógeno líquido enfría rápidamente la fibra y la vuelve muy frágil a medida que las fibras se enfrían.

Prepare un baño de alcohol etílico y caliéntelo a 65 grados Celsius. Después de 10 minutos, retire las fibras del nitrógeno líquido y quíebrelas rápidamente por la mitad. Rompa al menos 20 fibras para su análisis por imagen, ya que la tasa de éxito para obtener una superficie lisa aún es de solo aproximadamente el 15 %. A continuación, sumerja las puntas rotas de las muestras en alcohol etílico al 70 % durante unos tres minutos.

Durante este tiempo, el alcohol etílico disuelve los sitios de PMMA en la fibra, dejando únicamente las fibras de poliestireno. A continuación, coloque las fibras sobre un portamuestras y recubra cada muestra con una capa de oro-paladio de 10 nanómetros de espesor. Luego, coloque las muestras recubiertas en la cámara del microscopio electrónico de barrido para obtener imágenes, utilizando un haz de electrones de cinco kilo electron voltios y un aumento que permita la mejor resolución de las fibras de 0,9 micrones de diámetro.

Prepare muestras de fibra de aproximadamente 25 centímetros de longitud para caracterización óptica precalentando las fibras a 37 grados Celsius y utilizando una cuchilla curva calentada a 65 grados Celsius para cortarlas. Estas temperaturas evitan la deformación de la punta de la fibra que podría ocurrir durante el proceso de corte. A continuación, coloque una fibra sobre una superficie de corte de manera que se pueda realizar un corte perpendicular limpio a través de la punta.

Luego coloque la hoja en el lateral de la fibra y gire rápidamente la hoja sobre ella. Mantenga la hoja de afeitar en ángulo recto con respecto a la fibra en todo momento. Inspeccione la punta de la fibra utilizando un microscopio óptico para asegurarse de que la punta de la fibra esté cortada perpendicularmente a los lados de la fibra.

Esto permite un acoplamiento mejorado más adelante en el procedimiento. A continuación, pulir cada fibra una por una sujetándolas a 1,5 milímetros de un extremo y pasando la fibra una pulgada de largo a través de trayectorias en forma de número ocho sobre papel de pulido de óxido de aluminio de 0,3 micrones.

Realice aproximadamente ocho bucles para asegurar que toda la punta quede pulida. Luego, acople un láser de helio-neón que emite una longitud de onda de luz de 633 nanómetros a una fibra SMF 630 HP de cuatro micrones de diámetro. Para lograr esto, primero coloque un objetivo de 20 x sobre una plataforma con tres grados de libertad.

Coloque también dos espejos planos con dos grados de libertad. Coloque inicialmente la fibra de modo simple (SMF) a ocho milímetros de distancia de la punta del objetivo, luego reposicione los espejos y el objetivo para dirigir la luz láser hacia la punta de la fibra. Una vez alineado, conecte el otro extremo de la fibra SMF a un medidor de potencia.

Continúe ajustando la posición de los espejos y del objetivo hasta alcanzar una potencia acoplada de un milivatio. Un milivatio es una potencia suficiente para las mediciones de caracterización de la fibra. A continuación, acople la fibra SMF 630 HP a la fibra óptica polimérica.

Utilizando una plataforma motorizada, debe ser posible mover la plataforma motorizada en las tres direcciones cartesianas. Primero, centre los dos fibras juntos utilizando el control transversal. Luego, use el desplazamiento longitudinal para mover la fibra de fibra monomodo (SMF) lo más cerca posible de la fibra polimérica.

Un espacio de aire más pequeño entre la fibra de fibra monomodo (SMF) y la fibra polimérica reducirá la expansión del haz. A continuación, coloque todo el montaje sobre una segunda plataforma motorizada que se mueve en la dirección longitudinal. La segunda plataforma motorizada se utilizará para alinear el haz con la cámara CCD.

Luego, observe la posición de las fibras utilizando un microscopio óptico y un espejo con ángulo recto. Una pequeña inclinación o deformación en la punta de la fibra polimérica debido a los procesos de corte o pulido puede limitar el espacio de aire mínimo entre la fibra de SMF y la fibra polimérica. A continuación, utilice un perfilador de haz con cámara CCD para medir la salida de la fibra utilizando un objetivo de 40 x.

Primero, sature la cámara CCD para monitorear los límites de la fibra polimérica utilizando los controles del soporte del objetivo. Asegúrese de que los límites de la fibra polimérica sean observables en la cámara CCD. Luego, utilice la platina motorizada para enfocar la imagen en la cámara CCD moviendo el conjunto alejándolo o acercándolo al objetivo de 40 x, mientras la cámara CCD y el objetivo permanecen fijos.

Finalmente, barrer transversalmente el haz incidente que sale de la fibra monomodo (SMF) a través de la punta de la fibra polimérica para observar la localización en diferentes regiones de la fibra polimérica. Medir la intensidad del haz de salida para distintas posiciones del haz incidente con las luces apagadas. Recopilar datos en cinco posiciones diferentes del haz incidente y realizar las mediciones en 20 muestras de fibra, para un total de 100 mediciones distintas.

Se promedian 100 mediciones diferentes de los perfiles del haz para mostrar la localización transversal de Anderson en la fibra. Aquí se muestra el producto final de una punta de fibra de polímero pulida. La imagen del microscopio electrónico de la punta de fibra de polímero muestra que la mayoría de las regiones terminan quedando bien pulidas tras seguir este protocolo.

Cuando las fibras de metacrilato de polimetilo se disuelven y solo queda etanol, permanecen únicamente las fibras de poliestireno. Esto es lo que se conoce como el perfil de índice de refracción, que muestra fácilmente la disposición de las fibras de poliestireno y metacrilato de polimetilo. Aquí se muestra un ejemplo de perfil de intensidad medido por una cámara CCD tras cinco centímetros de propagación.

El rojo indica el perfil localizado y el amarillo es la cola de la intensidad. Esta imagen corresponde a una fibra que está localizada en la dirección transversal de la fibra desordenada.