빛의 통과 앤더슨 현지화 무질서 폴리머 광섬유의 제조 및 특성

이 절차의 전반적인 목표는 빛의 횡단 안데르손 국소화(transverse Anderson localization)를 위한 무질서 광섬유를 제작하고 그 특성을 분석하는 것입니다. 이는 먼저 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate)와 폴리스티렌(polystyrene) 가닥을 혼합하여 인발 공정용 프리폼(preform)을 제작함으로써 이루어집니다. 두 번째 단계는 인발된 광섬유의 굴절률 프로파일을 이미지화하는 것입니다.

주사 전자 현미경을 사용하여 PMMA 섬유를 용해시킨 후, 다음으로 앤더슨 국소화(Anderson localization)의 광학적 특성을 분석하기 위해 인출된 섬유 샘플을 절단하고 연마합니다. 마지막 단계는 헬륨 네온 레이저 광으로 무질서한 섬유를 조사하여 광학 장치에서 샘플을 테스트하는 것입니다.

최종적으로, 국소화된 빔의 출력 강도 프로파일을 CCD 카메라 빔 프로파일러로 이미징합니다. 빛의 횡방향 앤더슨 국소화를 보여주기 위해, 먼저 약 200개의 PMMA 가닥을 테이블 위에 펼친 다음, 그 위에 동일한 수의 폴리스티렌 가닥을 펼칩니다. 가닥들을 함께 섞은 후 한쪽으로 옮겨 둡니다.

PMMA 가닥 40,000개와 폴리스티렌 가닥 40,000개가 무작위로 혼합될 때까지 이 절차를 반복합니다. 그다음, 무작위로 혼합된 가닥들을 한 변의 길이가 약 2.5인치인 정사각형 프리폼으로 조립합니다. 이어서, 이러한 공정을 전문으로 하는 업체를 통해 프리폼을 직경 250µm의 광섬유로 인발합니다.

이는 원래 섬유의 단면적을 약 64,000배 감소시킨 결과입니다. 그런 다음 깨끗하게 파단할 수 있도록 폴리머 광섬유를 액체 질소에 약 10분 동안 담급니다. 액체 질소는 섬유를 빠르게 냉각시켜 섬유가 식으면서 매우 부서지기 쉬운 상태가 되게 합니다.

에틸 알코올 조(bath)를 준비하고 65 °C로 가열합니다. 10분 후, 액체 질소에서 섬유를 꺼내 빠르게 반으로 부러뜨립니다. 매끄러운 표면을 얻을 확률이 약 15% 정도이므로, 이미징을 위해 최소 20개 이상의 섬유를 부러뜨리십시오. 이 방법을 사용하여 샘플의 부러진 팁 부분을 70% 에틸 알코올에 약 3분 동안 담급니다.

이 시간 동안 에틸 알코올이 섬유 내의 PMMA 부위를 용해시켜 폴리스티렌 섬유만 남게 됩니다. 다음으로, 섬유를 샘플 홀더 위에 놓고 각 샘플을 10 nanometer 두께의 금-팔라듐 층으로 코팅합니다. 그런 다음 코팅된 샘플을 주사전자현미경 챔버에 넣고, 0.9 micron 직경의 섬유를 최적의 해상도로 관찰할 수 있는 배율과 5 kilo electron volt 전자빔을 사용하여 샘플의 굴절률 프로파일 이미지를 촬영합니다.

광학적 특성 분석을 위해 약 25 centimeter 길이의 광섬유 샘플을 준비합니다. 이때 광섬유는 37 °C로, 광섬유 절단에 사용되는 곡선형 칼날은 65 °C로 미리 가온합니다. 이러한 온도 설정은 절단 과정에서 발생할 수 있는 광섬유 팁의 변형을 방지하기 위함입니다. 다음으로, 팁 부분을 깨끗하게 수직으로 절단할 수 있도록 절단면 위에 광섬유를 일렬로 배치합니다.

그런 다음 칼날을 광섬유 측면에 대고 빠르게 굴려 절단합니다. 이때 면도날은 항상 광섬유와 직각을 유지해야 합니다. 광학 현미경을 사용하여 광섬유 끝부분을 검사하여 광섬유 측면에 수직으로 절단되었는지 확인하십시오.

이렇게 하면 이후 절차에서 결합 효율을 높일 수 있습니다. 다음으로, 각 광섬유의 한쪽 끝에서 1.5 mm 떨어진 지점을 잡고 0.3 µm 산화알루미늄 연마지 위에서 8자 모양으로 약 1인치 길이만큼 끌어당겨 하나씩 연마합니다.

팁 전체가 연마되도록 약 8회 정도 루프를 형성합니다. 그런 다음 633 nm 파장의 빛을 방출하는 헬륨-네온 레이저를 직경 4 µm의 SMF 630 HP 광섬유에 결합합니다. 이를 위해 먼저 3자유도 스테이지 위에 20x 대물렌즈를 배치합니다.

또한 2자유도를 가진 평면 거울 두 개를 배치합니다. 처음에는 SMF 광섬유를 대물렌즈 팁에서 8 mm 떨어진 곳에 두고, 거울과 대물렌즈의 위치를 조정하여 레이저 광이 광섬유 팁으로 향하게 합니다. 정렬이 완료되면 SMF 광섬유의 반대편을 전력계에 연결합니다.

결합 출력이 1 mW가 될 때까지 거울과 대물렌즈의 위치를 계속 조정하십시오. 1 mW는 광섬유 특성 측정에 충분한 출력입니다. 다음으로, SMF 630 HP 광섬유를 고분자 광섬유에 결합하십시오.

전동 스테이지를 사용하며, 해당 전동 스테이지는 세 가지 데카르트 좌표 방향 모두로 이동 가능해야 합니다. 먼저 횡방향 제어를 통해 두 광섬유의 중심을 맞춥니다. 그런 다음 종방향 변위를 이용하여 SMF 광섬유를 폴리머 광섬유에 최대한 가깝게 이동시킵니다.

SMF 광섬유와 폴리머 광섬유 사이의 공극을 더 작게 하면 빔의 확장을 줄일 수 있습니다. 다음으로, 전체 장치를 종방향으로 이동하는 두 번째 전동 스테이지 위에 배치하십시오. 이 두 번째 전동 스테이지는 CCD 카메라와 빔의 정렬을 맞추는 데 사용됩니다.

그 다음, 광학 현미경과 직각 거울을 사용하여 섬유의 위치를 관찰합니다. 절단 또는 연마 공정으로 인해 폴리머 섬유 팁에 발생한 미세한 기울어짐이나 변형은 SMF와 폴리머 섬유 사이의 최소 공극(air gap)을 제한할 수 있습니다. 이어서, CCD 카메라 빔 프로파일러와 40x 대물렌즈를 사용하여 섬유의 출력을 측정합니다.

먼저, 대물렌즈 홀더의 노브를 사용하여 고분자 섬유의 경계를 모니터링하며 CCD 카메라를 포화시킵니다. CCD 상에서 고분자 섬유의 경계가 관찰되는지 확인하십시오. 그런 다음, CCD와 대물렌즈가 고정된 상태에서 전동 스테이지를 사용하여 장치를 40x 대물렌즈에서 멀어지게 하거나 가까이 이동시켜 CCD 카메라의 이미지 초점을 맞춥니다.

마지막으로, SMF에서 나오는 입사 빔을 폴리머 파이버의 팁에 걸쳐 횡방향으로 스캔하여 폴리머 파이버의 서로 다른 영역에서 국소화를 관찰합니다. 조명을 끈 상태에서 입사 빔의 위치를 달리하여 출력 빔 강도를 측정합니다. 입사 빔의 다섯 가지 서로 다른 위치에서 데이터를 수집하고, 20개의 파이버 샘플에 대해 측정을 수행하여 총 100회의 서로 다른 측정을 실시합니다.

빔 프로파일의 서로 다른 100가지 측정값을 평균하여 광섬유의 횡방향 앤더슨 국소화(transverse Anderson localization)를 보여줍니다. 여기에는 연마된 폴리머 광섬유 팁의 최종 결과물이 나타나 있습니다. 폴리머 광섬유 팁의 전자현미경 이미지는 이 프로토콜을 따른 후 대부분의 영역이 잘 연마되었음을 보여줍니다.

폴리메틸메타크릴레이트 섬유가 용해되어 에탄올만 남게 되면 폴리스티렌 섬유만 남게 됩니다. 이것이 굴절률 프로파일로 알려진 것이며, 이를 통해 폴리스티렌과 폴리메틸메타크릴레이트 섬유의 배열을 쉽게 확인할 수 있습니다. 5cm 전파 후 CCD 카메라로 측정한 강도 프로파일의 예가 여기에 표시되어 있습니다.

빨간색은 국소화된 프로파일을 나타내며 노란색은 강도의 꼬리 부분을 나타냅니다. 이 이미지는 무질서한 광섬유의 횡방향으로 국소화된 광섬유의 모습입니다.