Fabrication et caractérisation des polymères désordonnés fibres optiques pour Transverse localisation d'Anderson de la lumière

L'objectif général de cette procédure est de fabriquer et de caractériser une fibre optique désordonnée permettant la localisation transverse d'Anderson de la lumière. Cela est réalisé en mélangeant d'abord des brins de polyméthacrylate de méthyle et de polystyrène, puis en fabriquant un préforme destiné au tirage. La deuxième étape consiste à imager le profil d'indice de réfraction de la fibre tirée.

Une fois que les fibres de PMMA ont été dissoutes, on utilise la microscopie électronique à balayage. Ensuite, les échantillons d'une fibre étirée sont clivés et polis afin de caractériser optiquement la localisation d'Anderson. La dernière étape consiste à tester les échantillons dans le montage optique en éclairant la fibre désordonnée avec une lumière laser hélium-néon.

En fin de compte, le profil d'intensité en sortie du faisceau localisé est capturé par un analyseur de faisceau équipé d'une caméra CCD. Pour observer la localisation transverse d'Anderson de la lumière, commencez par répartir environ 200 brins de PMMA sur une table, puis répartissez le même nombre de brins de polystyrène par-dessus le PMMA. Mélangez les brins ensemble, puis déplacez-les sur un côté.

Répétez cette procédure jusqu'à ce que 40 000 brins de PMMA soient mélangés aléatoirement avec 40 000 brins de polystyrène. Ensuite, assemblez les brins mélangés aléatoirement en un préforme carrée aux côtés d'environ 2,5 pouces. Puis, faites étirer la préforme en une fibre optique de diamètre 250 microns par une entreprise spécialisée dans ce type de procédure.

Cela représente une réduction d'environ 64 000 fois de la section transversale des fibres d'origine. Ensuite, plonger la fibre optique polymère dans de l'azote liquide pendant environ 10 minutes, afin d'obtenir une fracture nette. L'azote liquide refroidit rapidement la fibre et la rend très fragile à mesure que les fibres se refroidissent.

Préparez un bain d'alcool éthylique et chauffez-le à 65 degrés Celsius. Après 10 minutes, retirez les fibres de l'azote liquide et cassez-les rapidement en deux. Cassez au moins 20 fibres pour l'imagerie, car le taux de réussite pour obtenir une surface lisse est encore d'environ 15 %. Utilisez ensuite cette méthode : immergez les extrémités cassées des échantillons dans de l'alcool à 70 % pendant environ trois minutes.

Pendant cette période, l'alcool éthylique dissout les sites de PMMA dans la fibre, ne laissant subsister que les fibres de polystyrène. Ensuite, placer les fibres sur un porte-échantillon et recouvrir chaque échantillon d'une couche de 10 nanomètres d'épaisseur d'un alliage or-palladium. Puis, placer les échantillons recouverts dans la chambre du microscope électronique à balayage pour l'acquisition d'images, en utilisant un faisceau d'électrons de cinq kiloélectrons-volts et un grossissement permettant une résolution optimale des fibres de diamètre 0,9 micron.

Préparez des échantillons de fibre d'environ 25 centimètres de long pour la caractérisation optique en préchauffant les fibres à 37 degrés Celsius et en chauffant une lame courbe utilisée pour couper les fibres à 65 degrés Celsius. Ces températures empêchent la déformation de l'extrémité de la fibre qui pourrait survenir pendant le processus de clivage. Ensuite, placez une fibre en ligne sur une surface de coupe afin de permettre un sectionnement perpendiculaire propre au niveau de l'extrémité.

Ensuite, placez la lame sur le côté de la fibre et faites rouler rapidement la lame dessus. Gardez la lame de rasoir perpendiculaire à la fibre en tout temps. Examinez l'extrémité de la fibre à l'aide d'un microscope optique afin de vous assurer que celle-ci a été coupée perpendiculairement aux parois de la fibre.

Cela permet une meilleure couplage ultérieurement dans la procédure. Ensuite, polissez chaque fibre une par une en les tenant à 1,5 millimètre d'une extrémité et en faisant glisser la fibre sur une longueur de un pouce selon des trajectoires en forme de huit sur du papier abrasif à l'oxyde d'aluminium de 0,3 micron.

Effectuez environ huit boucles afin de garantir que toute la pointe soit polie. Ensuite, couplez un laser à hélium-néon émettant une longueur d'onde de 633 nanomètres à une fibre SMF 630 HP de quatre micromètres de diamètre. Pour ce faire, placez d'abord un objectif 20 x sur une platine possédant trois degrés de liberté.

Placez également deux miroirs plats dotés de deux degrés de liberté. Placez initialement la fibre SMF à huit millimètres de l'extrémité de l'objectif, puis repositionnez les miroirs et l'objectif afin d'orienter la lumière laser vers l'extrémité de la fibre. Une fois l'alignement effectué, reliez l'autre extrémité de la fibre SMF à un puissancemètre.

Continuer d’ajuster la position des miroirs et de l’objectif jusqu’à l’obtention d’une puissance couplée de un milliwatt. Une puissance de un milliwatt est suffisante pour les mesures de caractérisation de la fibre. Ensuite, coupler la fibre SMF 630 HP à la fibre optique en polymère.

À l'aide d'une platine motorisée, la platine doit pouvoir se déplacer dans les trois directions cartésiennes. Commencez par centrer les deux fibres ensemble à l'aide de la commande transversale. Ensuite, utilisez le déplacement longitudinal pour rapprocher la fibre en SMF aussi près que possible de la fibre polymère.

Un espace d'air plus réduit entre la fibre SMF et la fibre polymère réduira l'expansion du faisceau. Ensuite, placer l'ensemble du dispositif sur une deuxième plateforme motorisée qui se déplace dans la direction longitudinale. La deuxième plateforme motorisée servira à aligner le faisceau avec la caméra CCD.

Ensuite, observez la position des fibres à l'aide d'un microscope optique et d'un miroir à angle droit. Une légère inclinaison ou déformation au niveau de l'extrémité de la fibre polymère, due aux procédés de clivage ou de polissage, peut limiter l'entrefer minimal entre la fibre monomode (SMF) et la fibre polymère. Puis, utilisez un analyseur de faisceau à caméra CCD pour mesurer la sortie de la fibre à l'aide d'un objectif 40 x.

Tout d'abord, saturez la caméra CCD afin de surveiller les limites de la fibre polymère à l'aide des molettes situées sur le porte-objectif. Assurez-vous que les limites de la fibre polymère soient visibles sur la caméra CCD. Ensuite, utilisez la platine motorisée pour focaliser l'image sur la caméra CCD en déplaçant l'ensemble expérimental vers l'avant ou vers l'arrière par rapport à l'objectif 40 x, la caméra CCD et l'objectif restant fixes.

Enfin, balayer transversalement le faisceau incident sortant de la fibre monomode (SMF) le long de l'extrémité de la fibre polymère afin d'observer la localisation dans différentes régions de la fibre polymère. Mesurer l'intensité du faisceau en sortie pour différentes positions du faisceau incident dans l'obscurité. Recueillir des données à cinq positions différentes du faisceau incident et effectuer les mesures sur 20 échantillons de fibre, soit au total 100 mesures distinctes.

100 mesures différentes des profils du faisceau sont ensuite moyennées afin de montrer la localisation transverse d'Anderson dans la fibre. On observe ici le produit final d'une pointe de fibre en polymère polie. L'image au microscope électronique de la pointe de fibre en polymère montre que la plupart des régions sont bien polies à l'issue de ce protocole.

Lorsque les fibres de polyméthacrylate de méthyle sont dissoutes et que seul l'éthanol reste, il ne subsiste que les fibres de polystyrène. On appelle cela le profil d'indice de réfraction, qui montre clairement l'arrangement des fibres de polystyrène et de polyméthacrylate de méthyle. Un exemple de profil d'intensité mesuré par une caméra CCD est présenté ici après cinq centimètres de propagation.

Le rouge indique le profil localisé et le jaune correspond à la queue de l'intensité. Cette image représente une fibre localisée dans la direction transversale de la fibre désordonnée.