ייצור ואפיון של סיבים אופטיים הפרעות פולימר ללוקליזציה רוחבית אנדרסון אור

המטרה הכוללת של הליך זה היא לייצר ולאפיין סיב אופטי לא-סדיר עבור לוקליזציית אנדרסון רוחבית של אור. דבר זה מושג תחילה על ידי ערבוב של גדילי פולימתיל-מתאקרילט ופוליסטירן, ויצירת פרפורם (preform) לתהליך המתיחה. השלב השני הוא הדמיית פרופיל מקדם השבירה של הסיב שנמתח.

לאחר שהסיבי ה-PMMA הומסו, בוצע מיקרוסקופ אלקטרוני סורק. לאחר מכן, דגימות של סיב שנמשך נחתכו והוליחו עבור אפיון אופטי של לוקליזציית אנדרסון. השלב הסופי הוא בדיקת הדגימות במערך האופטי על ידי הארה של הסיב הבלתי-סדיר באור של לייזר הליום-ניאון.

בסופו של דבר, פרופיל עוצמת הפלט של האלומה הממוקמת נדגם במצלמת CCD המשמשת כמנתח פרופיל אלומה. כדי להדגים לוקליזציית אנדרסון רוחבית של אור, התחל בפיזור של כ-200 סיבי PMMA על שולחן, ולאחר מכן פזר את אותו מספר של סיבי פוליסטירן מעל ה-PMMA. ערבב את הסיבים יחד והנח אותם בצד.

חזור על הליך זה עד ש-40,000 גדילים של PMMA יערבבו באופן אקראי עם 40,000 גדילים של פוליסטירן. לאחר מכן, הרכב את הגדילים שערבבו באופן אקראי למבנה מקדים (preform) ריבועי עם צלעות באורך של כ-2.5 inches. בשלב הבא, העבר את המבנה המקדים למשיכה לסיב אופטי בקוטר של 250 microns על ידי חברה המתמחה בסוג זה של הליך.

זה מייצג הפחתה של כ-64,000 פעמים בשטח החתך של הסיבים המקוריים. לאחר מכן, טבול את הסיב האופטי הפולימרי בחנקן נוזלי למשך כ-10 דקות, כדי שניתן יהיה לבצע שבירה נקייה. החנקן הנוזלי מקרר במהירות את הסיב והופך אותו לשביר מאוד ככל שהסיבים מתקררים.

הכינו אמבט של אתיל אלכוהול וחממו אותו ל-65 °C. לאחר 10 דקות, הוציאו את הסיבים מהחנקן הנוזלי ושברו אותם במהירות לשניים. שברו לפחות 20 סיבים לצורך הדמיה, כיוון ששיעור ההצלחה בהשגת משטח חלק הוא עדיין כ-15% בלבד. בשימוש בשיטה זו, טבלו את הקצוות השבורים של הדגימות ב-70% אתיל אלכוהול למשך כלוש דקות.

במהלך זמן זה, האתנול ממיס את אתרי ה-PMMA בסיב, ובכך משאיר מאחור רק את סיבי הפוליסטירן. לאחר מכן, הניחו את הסיבים על תומך דגימות וכסו כל דגימה בשכבה בעובי 10 nanometer של זהב-פלדיום. לאחר מכן, הניחו את הדגימות המצופות בתא של מיקרוסקופ אלקטרונים סורק לצורך הדמיה, כדי לבחון את פרופיל מדד השבירה של הדגימות באמצעות אלומת אלקטרונים בעוצמה של 5 kilo electron volt, בהגדלה המאפשרת את הרזולוציה הטובה ביותר עבור הסיבים בעובי 0.9 micron.

הכינו דגימות סיב באורך של כ-25 סנטימטרים לצורך אפיון אופטי, על ידי חימום מוקדם של הסיבים ל-37 °C ושל להב מעוקל המשמש לחיתוך הסיבים ל-65 °C. טמפרטורות אלו מונעות עיוות של קצה הסיב שעלול להתרחש במהלך תהליך השבירה. לאחר מכן, יישרו את הסיב על משטח חיתוך כך שניתן יהיה לבצע חיתוך ניצב ונקי לרוחב הקצה.

לאחר מכן, הניחו את הלהב בצד הסיב וגלגלו אותו במהירות על פניו. שמרו על להב התערה בזווית ישרה לסיב בכל עת. בחנו את קצה הסיב באמצעות מיקרוסקופ אופטי כדי לוודא שקצה הסיב נחתך בניצב לדפנות הסיב.

פעולה זו מאפשרת שיפור בחיבור בשלב מאוחר יותר של הפרוצדורה. לאחר מכן, יש ללטש כל סיב בנפרד על ידי אחיזתו במרחק של 1.5 millimeters מקצה אחד, תוך גרירת הסיב לאורך של one inch. יש להשתמש בתנועות בצורת שמינית על נייר לטש מאלומינה (aluminum oxide) בעובי של 0.3 micron.

בצעו כ&=approximately eight loops ללולאות כדי להבטיח שכל הקצה ילוטש. לאחר מכן, חברו לייזר הליום-ניאון הפולט אור באורך גל של 633 nanometer לסיב SMF 630 HP בעל קוטר של four micron. כדי לבצע זאת, מקמו תחילה עדשה עם הגברה של 20x על גבי במה בעלת שלושה דרגות חופש.

הנחו בנוסף שתי מראות שטוחות בעלות שתי דרגות חופש. בתחילה, מקמו את סיב ה-SMF במרחק של שמונה מילימטרים מקצה העדשה, ולאחר מכן reposition the mirrors והעדשה כדי לכוון את אור הלייזר לקצה הסיב. לאחר היישור, חברו את הצד השני של סיב ה-SMF למד עוצמה (power meter).

המשיכו לכוון את מיקום המראות והעדשה עד להשגת הספק מצומד של one milliwatt. הספק של one milliwatt מספיק למדידות אפיון הסיב. לאחר מכן, צמדו את סיב ה-SMF 630 HP לסיב האופטי הפולימרי.

השתמשו בבמה ממוטרת, כאשר על הבמה הממוטרת להיות מסוגלת לנוע בכל שלושת הכיוונים הקרטזיים. ראשית, מרכזו את שני הסיבים יחדיו באמצעות בקרה רוחבית. לאחר מכן, השתמשו בהעתקה אורכית כדי להזיז את סיב ה-SMF קרוב ככל האפשר לסיב הפולימר.

מרווח אוויר קטן יותר בין סיב ה-SMF לבין סיב הפולימר יפחית את התפשטות האלומה. לאחר מכן, הניחו את המערך כולו על במה מוטורית שנייה הנעה בכיוון האורכי. הבמה המוטורית השנייה תשמש ליישור האלומה עם מצלמת ה-CCD.

לאחר מכן, בחנו את מיקום הסיבים באמצעות מיקרוסקופ אופטי ומראה בזווית ישרה. הטיה או דהפורמציה קלה בקצה סיב הפולימר, כתוצאה מתהליכי השבירה או הליטוש, עלולה להגביל את המרווח המינימלי (air gap) בין ה-SMF לסיב הפולימר. לאחר מכן, השתמשו במנתח פרופיל קרן (beam profiler) בעזרת מצלמת CCD כדי למדוד את הפלט של הסיב באמצעות עדשה אובייקטיבית של 40x.

ראשית, רוו את מצלמת ה-CCD כדי לנטר את גבולות סיב הפולימר באמצעות הכפתורים בתושבת העדשה. ודאו שניתן להבחין בגבולות סיב הפולימר ב-CCD. לאחר מכן, השתמשו בבמה הממוטרת כדי למקד את התמונה במצלמת ה-CCD על ידי הזזת המערכת הרחק מהעדשה ה-40 x או לעברה, כאשר ה-CCD והעדשה מקובעים.

לבסוף, סרקו באופן רוחבי את קרן הפגיעה היוצאת מה-SMF על פני קצה סיב הפולימר כדי לבחון לוקליזציה באזורים שונים של סיב הפולימר. מדדו את עוצמת קרן הפלט עבור מיקומים שונים של קרן הפגיעה כאשר האורות כבוים. אספו נתונים בחמישה מיקומים שונים של קרן הפגיעה ובצעו את המדידות עבור 20 דגימות סיבים, לסך הכל 100 מדידות שונות.

לאחר מכן מבצעים ממוצע של 100 מדידות שונות של פרופילי האלומה כדי להראות את לוקליזציית אנדרסון הרוחבית של הסיב. מוצג כאן התוצר הסופי של קצה סיב פולימרי מלוטש. תמונת מיקרוסקופ האלקטרונים של קצה סיב הפולימר מראה כי רוב האזורים הגיעו לרמת ליטוש טובה בעקבות פרוטוקול זה.

כאשר סיבי הפולימתיל methacrylate מומסים ונותר אתנול בלבד, נשארים רק סיבי הפוליסטירן. זהו מה שמכונה פרופיל מקדם השבירה, המציג בקלות את סידורם של סיבי הפוליסטירן והפולימתיל methacrylate. פרופיל עצימות לדוגמה, כפי שנמדד על ידי מצלמת CCD, מוצג כאן לאחר חמישה סנטימטרים של התקדמות.

הצבע האדום מציין את הפרופיל הממוקם, והצבע הצהוב הוא זנב העוצמה. תמונה זו היא של סיב הממוקם בכיוון הרוחבי של הסיב הבלתי-מסודר.