Fabricage en karakterisering van wanordelijke polymeer optische vezels voor Transversale Anderson lokalisatie van Licht

Het algemene doel van deze procedure is het vervaardigen en karakteriseren van een ongeordende optische vezel voor transversale Anderson-lokalisatie van licht. Dit wordt bereikt door eerst strengen van polymethylmethacrylaat en polystyreen te mengen en een preform te maken voor het trekproces. De tweede stap is het in beeld brengen van het brekingsindexprofiel van de getrokken vezel.

Zodra de PMMA-vezels zijn opgelost, worden deze geanalyseerd met behulp van scanning electron microscopy. Vervolgens worden de monsters van een getrokken vezel gespleten en gepolijst voor de optische karakterisering van Anderson-lokalisatie. De laatste stap is het testen van de monsters in de optische opstelling door de wanordelijke vezel te belichten met heliumneon-laserlicht.

Uiteindelijk wordt het output-intensiteitsprofiel van de gelokaliseerde bundel afgebeeld op een CCD-camera bundelprofielmeter. Om de transversale Anderson-lokalisatie van licht aan te tonen, begint u met het verspreiden van ongeveer 200 PMMA-strengen op een tafel, om vervolgens hetzelfde aantal polystyreenstrengen bovenop de PMMA te verspreiden. Meng de strengen met elkaar en leg ze vervolgens opzij.

Herhaal deze procedure totdat 40.000 strengen PMMA willekeurig zijn gemengd met 40.000 strengen polystyreen. Voeg vervolgens de willekeurig gemengde strengen samen tot een vierkante preform met zijden van ongeveer 2,5 inch. Laat deze preform vervolgens door een bedrijf dat gespecialiseerd is in dit type procedure worden getrokken tot een optische vezel met een diameter van 250 microns.

Dit komt overeen met een reductie van ongeveer 64.000 keer in het dwarsvlak van de oorspronkelijke vezels. Dompel de polymeer optische vezel vervolgens ongeveer 10 minuten onder in vloeibare stikstof, zodat er een schone breuk kan worden gemaakt. De vloeibare stikstof koelt de vezel snel af, waardoor de vezels zeer broos worden tijdens het afkoelen.

Bereid een bad van ethylalcohol voor en verwarm dit tot 65 °C. Verwijder na 10 minuten de vezels uit de vloeibare stikstof en breek ze snel doormidden. Breek ten minste 20 vezels voor beeldvorming, aangezien het succespercentage voor het verkrijgen van een glad oppervlak nog slechts ongeveer 15% bedraagt. Dompel met deze methode de gebroken uiteinden van de monsters vervolgens gedurende ongeveer drie minuten onder in 70% ethylalcohol.

Tijdens deze periode lost de ethylalcohol de PMMA-plaatsen in de vezel op, waardoor alleen de polystyreenvezels overblijven. Plaats de vezels vervolgens op een monsterhouder en coat elk monster met een goud-palladiumlaag van 10 nanometer dik. Plaats de gecoate monsters vervolgens in de kamer van de scanning elektronenmicroscoop voor beeldvorming van het brekingsindexprofiel van de monsters met een elektronenbundel van 5 keV bij een vergroting die de beste resolutie van de vezels met een diameter van 0,9 µm mogelijk maakt.

Bereid vezelmonsters van ongeveer 25 centimeter lang voor voor optische karakterisering door de vezels voor te verwarmen tot 37 °C en een gebogen mes dat wordt gebruikt voor het doorsnijden van de vezels tot 65 °C. Deze temperaturen voorkomen vervorming van de vezeltip die tijdens het splitsingsproces kan optreden. Leg vervolgens een lijn vezel op een snijoppervlak zodat er een schone, loodrechte snede door de tip kan worden gemaakt.

Plaats vervolgens het mesje tegen de zijkant van de vezel en rol het mesje er snel overheen. Houd het scheermesje te allen tijde in een rechte hoek ten opzichte van de vezel. Inspecteer de vezelpunt met een optische microscoop om er zeker van te zijn dat de vezelpunt loodrecht op de zijden van de vezel is gesplitst.

Dit zorgt voor een verbeterde koppeling later in de procedure. Polijst vervolgens elke vezel één voor één door deze op 1,5 millimeter van één uiteinde vast te pakken en de vezel in bewegingen van ongeveer 2,5 cm over polijstpapier van 0,3 micron aluminiumoxide te trekken, waarbij een acht-vormig patroon wordt gevolgd.

Maak ongeveer acht lussen om ervoor te zorgen dat de gehele tip wordt gepolijst. Koppel vervolgens een heliumneonlaser die licht met een golflengte van 633 nanometer uitzendt aan een SMF 630 HP-vezel met een diameter van vier micron. Plaats hiervoor eerst een 20 x objectief op een tafel met drie vrijheidsgraden.

Plaats daarnaast twee vlakspiegels met twee vrijheidsgraden. Plaats de SMF-vezel in eerste instantie op acht millimeter afstand van de objectieftip, en verplaats vervolgens de spiegels en het objectief om het laserlicht naar de tip van de vezel te richten. Zodra de uitlijning is voltooid, wordt de andere zijde van de SMF-vezel aangesloten op een vermogensmeter.

Blijf de positie van de spiegels en het objectief aanpassen tot een gekoppeld vermogen van 1 mW is bereikt. Een vermogen van 1 mW is voldoende voor de karakteriseringsmetingen van de vezel. Koppel vervolgens de SMF 630 HP-vezel aan de polymeer optische vezel.

Maak gebruik van een gemotoriseerde tafel; deze moet in alle drie de Cartesiaanse richtingen bewogen kunnen worden. Centreer eerst de twee vezels ten opzichte van elkaar met behulp van transversale besturing. Gebruik vervolgens longitudinale verplaatsing om de SMF-vezel zo dicht mogelijk bij de polymeervezel te brengen.

Een kleinere luchtspleet tussen de SMF-vezel en de polymeervezel zal de expansie van de bundel verminderen. Plaats vervolgens de gehele opstelling op een tweede gemotoriseerde tafel die in longitudinale richting beweegt. De tweede gemotoriseerde tafel zal worden gebruikt om de bundel uit te lijnen met de CCD-camera.

Observe vervolgens de positie van de vezels met behulp van een optische microscoop en een rechtshoekige spiegel. Een kleine kanteling of vervorming van de polymeervezeltip als gevolg van de klievings- of polijstprocessen kan de minimale luchtspleet tussen de SMF en de polymeervezel beperken. Gebruik daarna een CCD-camera beam profiler om de output van de vezel te meten met een 40 x objectief.

Verzadig eerst de CCD-camera om de grenzen van de polymere vezel te monitoren met behulp van de knoppen op de objectiefhouder. Zorg ervoor dat de grenzen van de polymere vezel op de CCD kunnen worden waargenomen. Gebruik vervolgens de gemotoriseerde tafel om het beeld op de CCD-camera te focussen door de opstelling van het 40 x objectief af te bewegen of er naartoe te bewegen, terwijl de CCD en het objectief gefixeerd zijn.

Veeg tot slot de invallende bundel die uit de SMF komt transversaal over de punt van de polymeervezel om lokalisatie in verschillende regio's van de polymeervezel te observeren. Meet de intensiteit van de uitgaande bundel voor verschillende posities van de invallende bundel met de lichten uit. Verzamel gegevens op vijf verschillende posities van de invallende bundel en voer de metingen uit voor 20 vezelmonsters voor een totaal van 100 verschillende metingen.

Vervolgens worden 100 verschillende metingen van de straalprofielen gemiddeld om de transversale Anderson-lokalisatie van de vezel aan te tonen. Hier is het eindproduct van een gepolijste polymeervezeltip te zien. De elektronenmicroscoopopname van de polymeervezeltip laat zien dat de meeste regio's na toepassing van dit protocol goed gepolijst zijn.

Wanneer de polymethylmethacrylaatvezels zijn opgelost in ethanol, blijven alleen de polystyreenvezels over. Dit is wat bekend staat als het brekingsindexprofiel, waarmee de rangschikking van polystyreen- en polymethylmethacrylaatvezels eenvoudig kan worden weergegeven. Hier wordt een voorbeeld van een intensiteitsprofiel getoond, gemeten met een CCD-camera na vijf centimeter propagatie.

De rode kleur geeft het gelokaliseerde profiel aan en de gele kleur is de staart van de intensiteit. Deze afbeelding is van een vezel die gelokaliseerd is in de transversale richting van de ongeordende vezel.