Fabbricazione e caratterizzazione di polimeri disordinati fibre ottiche per la Trasversale localizzazione di Anderson di Luce

L'obiettivo generale di questo procedimento è realizzare e caratterizzare una fibra ottica disordinata per la localizzazione trasversale di Anderson della luce. Questo viene ottenuto innanzitutto mescolando filamenti di polimetilmetacrilato e polistirene, e realizzando un preforma per il processo di trazione. Il secondo passaggio consiste nell'acquisire un'immagine del profilo dell'indice di rifrazione della fibra tratta.

Dopo che le fibre di PMMA sono state disciolte mediante microscopia elettronica a scansione, i campioni di una fibra estrusa vengono spezzati e lucidati per la caratterizzazione ottica della localizzazione di Anderson. L'ultimo passaggio consiste nel testare i campioni nell'apparato ottico illuminando la fibra disordinata con luce laser all'elio-neon.

Alla fine, il profilo di intensità in uscita del fascio localizzato viene acquisito da un analizzatore di fascio dotato di fotocamera CCD. Per mostrare la localizzazione transversale di Anderson della luce, iniziare distribuendo circa 200 filamenti di PMMA su un tavolo, quindi sovrapporre lo stesso numero di filamenti di polistirene sui filamenti di PMMA. Mescolare i filamenti tra loro, quindi spostarli da un lato.

Ripetere questa procedura fino a quando 40.000 filamenti di PMMA sono mescolati casualmente con 40.000 filamenti di polistirene. Successivamente, assemblare i filamenti mescolati casualmente in una preforma quadrata con lati di circa 2,5 pollici. Infine, far trarre la preforma in una fibra ottica con un diametro di 250 micrometri da un'azienda specializzata in questo tipo di procedura.

Questo rappresenta una riduzione di circa 64.000 volte dell'area della sezione trasversale delle fibre originali. Successivamente immergere la fibra ottica polimerica in azoto liquido per circa 10 minuti, in modo da ottenere una frattura pulita. L'azoto liquido raffredda rapidamente la fibra e la rende molto fragile man mano che le fibre si raffreddano.

Preparare un bagno di alcol etilico e riscaldarlo a 65 gradi Celsius. Dopo 10 minuti, rimuovere le fibre dall'azoto liquido e spezzarle rapidamente a metà. Spezzare almeno 20 fibre per l'analisi di imaging, poiché il tasso di successo nelottenere una superficie liscia è ancora solo del circa 15%. Con questo metodo, immergere quindi le estremità spezzate dei campioni in alcol etilico al 70% per circa tre minuti.

In questo periodo, l'alcol etilico dissolve i siti di PMMA nella fibra lasciando soltanto le fibre di polistirene. Successivamente, posizionare le fibre su un portacampioni e ricoprire ciascun campione con uno strato di oro-palladio spesso 10 nanometri. Quindi, inserire i campioni ricoperti nella camera del microscopio elettronico a scansione per l'acquisizione delle immagini, ottenendo il profilo dell'indice di rifrazione dei campioni mediante un fascio elettronico da cinque kilo elettronvolt, a un ingrandimento che consenta la migliore risoluzione delle fibre di diametro pari a 0,9 micron.

Preparare campioni di fibra lunghi circa 25 centimetri per la caratterizzazione ottica preriscaldando le fibre a 37 gradi Celsius e riscaldando la lama curva utilizzata per tagliare le fibre a 65 gradi Celsius. Queste temperature impediscono la deformazione della punta della fibra che potrebbe verificarsi durante il processo di scissionatura. Successivamente, allineare una fibra su una superficie di taglio in modo da ottenere un taglio perpendicolare netto sulla punta.

Quindi posizionare la lama lateralmente rispetto alla fibra e arrotolarla rapidamente su di essa. Mantenere la lama del rasoio sempre perpendicolare alla fibra. Ispezionare la punta della fibra mediante microscopio ottico per assicurarsi che la punta sia stata tagliata perpendicolarmente rispetto ai lati della fibra.

Questo permette un miglior accoppiamento in una fase successiva della procedura. Successivamente, lucidare ogni fibra una alla volta impugnandole a 1,5 millimetri da un'estremità e trascinando la fibra lungo un tratto di 2,54 centimetri (un pollice) seguendo percorsi a forma di otto su carta abrasiva in ossido di alluminio da 0,3 micron.

Realizzare circa otto giri per assicurare che tutta la punta venga lucidata. Quindi, accoppiare un laser a elio-neon che emette una lunghezza d'onda di 633 nanometri a una fibra SMF 630 HP con un diametro di quattro micron. Per realizzare ciò, posizionare innanzitutto un obiettivo 20x su uno stage con tre gradi di libertà.

Posizionare anche due specchi piani con due gradi di libertà. Inizialmente posizionare la fibra SMF a otto millimetri di distanza dalla punta dell'obiettivo, quindi riposizionare gli specchi e l'obiettivo per indirizzare la luce laser sulla punta della fibra. Una volta allineato, collegare l'altro estremo della fibra SMF a un misuratore di potenza.

Continuare ad aggiustare la posizione degli specchi e dell'obiettivo fino a raggiungere una potenza accoppiata di un milliwatt. Un milliwatt è una potenza sufficiente per le misurazioni di caratterizzazione della fibra. Successivamente, accoppiare la fibra SMF 630 HP alla fibra in fibra ottica polimerica.

Utilizzando un palco motorizzato, il palco motorizzato deve potersi muovere in tutte e tre le direzioni cartesiane. Prima, centrare insieme le due fibre utilizzando il controllo trasversale. Successivamente, utilizzare lo spostamento longitudinale per avvicinare il più possibile la fibra SMF alla fibra polimerica.

Un intervallo d'aria più piccolo tra la fibra SMF e la fibra polimerica ridurrà l'espansione del fascio. Successivamente, posizionare l'intero apparato su un secondo stadio motorizzato che si muove nella direzione longitudinale. Il secondo stadio motorizzato verrà utilizzato per allineare il fascio con la telecamera CCD.

Quindi osservare la posizione delle fibre utilizzando un microscopio ottico e uno specchio ad angolo retto. Una piccola inclinazione o deformazione nella punta della fibra polimerica causata dai processi di scissione o lucidatura può limitare il minimo traferro d'aria tra la fibra monomodale (SMF) e la fibra polimerica. Successivamente, utilizzare un analizzatore di fascio con camera CCD per misurare l'uscita della fibra utilizzando un obiettivo 40x.

Per prima cosa, saturare la fotocamera CCD per monitorare i bordi della fibra polimerica utilizzando le manopole sul supporto dell'obiettivo. Assicurarsi che i bordi della fibra polimerica siano visibili sulla CCD. Successivamente, utilizzare la platina motorizzata per mettere a fuoco l'immagine sulla fotocamera CCD spostando l'intero apparato verso l'esterno o verso l'interno rispetto all'obiettivo 40x, mentre la CCD e l'obiettivo rimangono fissi.

Infine, spostare trasversalmente il fascio incidente che esce dalla SMF lungo la punta della fibra polimerica per osservare la localizzazione in diverse regioni della fibra polimerica. Misurare l'intensità del fascio in uscita per diverse posizioni del fascio incidente con le luci spente. Raccogliere dati in cinque posizioni diverse del fascio incidente ed eseguire le misurazioni su 20 campioni di fibra per un totale di 100 misurazioni differenti.

Successivamente, 100 diverse misurazioni dei profili del fascio vengono mediate per mostrare la localizzazione transversale di Anderson nella fibra. Qui è mostrato il prodotto finale della punta di una fibra polimerica lucidata. L'immagine ottenuta al microscopio elettronico della punta della fibra polimerica mostra che la maggior parte delle aree risulta ben lucidata seguendo questo protocollo.

Quando le fibre di polimetilmetacrilato vengono disciolte e rimangono solo le fibre di polistirene in etanolo. Questo è ciò che è noto come profilo di indice di rifrazione, che mostra chiaramente la disposizione delle fibre di polistirene e di polimetilmetacrilato. Qui viene mostrato un esempio di profilo di intensità misurato da una telecamera CCD dopo cinque centimetri di propagazione.

Il rosso indica il profilo localizzato e il giallo è la coda dell'intensità. Questa immagine mostra una fibra localizzata nella direzione trasversale della fibra disordinata.