Name: Wytwarzanie i charakterystyka nieuporządkowanych światłowodów polimerowych do poprzecznej lokalizacji światła Andersona (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-07-29T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 19 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania nieuporządkowanych światłowodów polimerowych z wykorzystaniem lokalizacji Andersona do poprzecznego prowadzenia światła. Technika ta umożliwia skuteczny transport zlokalizowanej wiązki laserowej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Te badania są wspierane przez grant numer 1029547 od National Science Foundation. Autorzy pragną podziękować D.J. Welker z Paradigm Optics Inc. za dostarczenie początkowych segmentów światłowodu i przerysowanie końcowego światłowodu. Autorzy dziękują również Stevenowi Hardcastle'owi i Heather A. Owen za obrazowanie SEM.

1. Wytwarzanie nieuporządkowanego światłowodu polimerowego
<ol>
	<li>Rozłóż około 200 pasm PMMA na stole i rozłóż taką samą liczbę pasm PS na wierzchu PMMA. Wymieszaj i przepakuj pasma. Powtarzaj tę procedurę, aż 40 000 nici PMMA zostanie losowo zmieszanych z 40 000 pasm PS.</li>
	<li>Złóż losowo wymieszane pasma w kwadratową preformę o szerokości boku około 2,5 cala.</li>
	<li>Pobrać preformę do światłowodu o średnicy 250 μm. Preforma jest rysowana w Paradigm Optics Incorporated przy użyciu ich standardowej procedury 16.</li>
</ol>
2. Obrazowanie profilu współczynnika załamania światła nieuporządkowanego włókna
<ol>
	<li>Użyj SEM, takiego jak Topcon ABT, aby zobrazować profil współczynnika załamania światła powstałego światłowodu.</li>
	<li>Zanurz próbki światłowodu polimerowego w ciekłym azocie na około 10 minut, a następnie przełam na pół.</li>
	<li>Zanurz złamane końcówki próbek w alkoholu etylowym. Utrzymać temperaturę roztworu na poziomie około 65 °C. Pozostawić próbki w roztworze na około 3 minuty, aż alkohol etylowy rozpuści miejsca PMMA we włóknie.</li>
	<li>Pokryć każdą próbkę warstwą Au/Pd o grubości 10 nm i umieścić próbkę w komorze SEM.</li>
</ol>
3. Przygotowanie próbek włókien do charakteryzacji optycznej
<ol>
	<li>Przygotuj próbki włókien o długości 5 cm.</li>
	<li>Podgrzej zakrzywione ostrze do 65 °C, a włókno do 37 °C. Stosowanie odpowiednich temperatur zapobiega deformacji końcówki włókna, która może wystąpić w procesie rozłupywania.</li>
	<li>Wyrównaj końcówkę włókna na powierzchni cięcia, aby można było wykonać czyste, prostopadłe cięcie. Umieść ostrze z boku włókna, a następnie szybko przetocz w poprzek.</li>
	<li>Sprawdź końcówkę światłowodu za pomocą mikroskopu optycznego, aby upewnić się, że końcówka światłowodu jest rozcięta prostopadle do boków światłowodu. Utrzymuj żyletkę pod kątem prostym w procesie rozłupywania, aby zapobiec przechyleniu końcówki.</li>
	<li>Do polerowania próbek włókien użyj papieru do polerowania, takiego jak papier polerski z tlenku glinu Thorlabs LFG03P (0,3 μm). Aby wypolerować końcówkę włókna, przytrzymaj ją w pęsetze, przy czym pęseta chwyta włókno w odległości około 1.5 mm od polerowanej powierzchni. Narysuj włókno po papierze ścieżkami w kształcie ósemki o długości jednego cala, około osiem razy. Ścieżki w kształcie cyfry 8 zapewniają, że cała końcówka jest wypolerowana.</li>
</ol>
4. Pomiar profilu wiązki propagowanej wiązki w próbkach włókien
<ol>
	<li>Połącz laser He-Ne ze światłowodem SMF630hp za pomocą obiektywu 20X i dwóch płaskich luster. Umieść płaskie lustra na stolikach o dwóch stopniach swobody. Umieść cel na stoliku o trzech stopniach swobody. Początkowo utrzymuj włókno SMF w odległości 8 mm od końcówki obiektywu. Za pomocą pokręteł na uchwytach lusterek i uchwycie obiektywu oświetl światło lasera do końcówki światłowodu. Podłącz drugą stronę SMF do miernika mocy. Podłącz zasilanie do SMF za pomocą pokręteł na uchwytach lusterek, a także pokręteł poprzecznych na uchwycie obiektywu. Efektywność sprzęgania można znacznie zwiększyć za pomocą pokrętła pozycjonującego wzdłużnie na uchwycie obiektywu. Do pomiarów wystarczy sprzężona moc 1 mW.</li>
	<li>Połącz światłowód SMF630hp ze światłowodem polimerowym za pomocą zmotoryzowanego stopnia Thorlabs MAX343. Stolik z napędem silnikowym można przesuwać w trzech kierunkach kartezjańskich. Korzystając z poprzecznych stopni swobody, połącz włókno SMF ze środkiem końcówki z włókna polimerowego. Wykorzystując wzdłużne przemieszczenie stolika, umieść włókno SMF jak najbliżej włókna polimerowego. Mniejsza szczelina powietrzna między SMF a włóknem polimerowym zmniejsza rozszerzalność wiązki. Umieść cały zestaw na drugim zmotoryzowanym stoliku, który porusza się w kierunku wzdłużnym. Drugi zmotoryzowany stopień służy do obrazowania, jak to zostanie opisane w 4.4.</li>
	<li>Za pomocą mikroskopu optycznego i lustra pod kątem prostym monitoruj położenie SMF i włókna polimerowego, aby upewnić się, że SMF jest sprzężony w środku włókna polimerowego i że szczelina powietrzna między dwoma włóknami jest jak najmniejsza. Niewielkie nachylenie końcówki z włókna polimerowego lub deformacje końcówki z włókna polimerowego spowodowane procesami rozłupywania lub polerowania mogą ograniczyć minimalną szczelinę powietrzną między SMF a włóknem polimerowym. Wymagana jest niewielka szczelina między włóknami, ponieważ włókno SMF powinno być w stanie poruszać się na końcu włókna polimerowego. Umieść SMF w środku włókna polimerowego wyłącznie po to, aby ułatwić proces łączenia. Podczas eksperymentu przemiataj poprzecznie wiązkę padającą, która wychodzi z SMF, przez końcówkę włókna polimerowego, aby zaobserwować lokalizację w różnych obszarach włókna polimerowego.</li>
	<li>Użyj profilera wiązki kamery CCD, aby zmierzyć moc wyjściową światłowodu za pomocą obiektywu 40X. Najpierw nasyc kamerę CCD, aby monitorować granice włókna polimerowego. Za pomocą pokręteł na uchwycie obiektywu upewnij się, że na przetworniku CCD można zaobserwować granice włókien polimerowych.</li>
	<li>Użyj zmotoryzowanego stolika, który przesuwa cały zestaw (opisany w 4.2) wzdłużnie, upewnij się, że obraz na CCD jest ostry, przesuwając ustawienie od lub w kierunku obiektywu 40X, podczas gdy CCD i obiektyw są nieruchome. Jako metryka ostrości, zobrazowany profil na matrycy CCD powinien mieć minimalny rozmiar w miejscu ostrości. Skoncentrowany obraz wiązki nie powinien być wizualnie nawijany.</li>
	<li>Przesuń wiązkę padającą na końcówkę wejściową i zmierz intensywność wiązki wyjściowej dla różnych pozycji wiązki padającej. Zbierz dane dla 5 różnych pozycji wiązki padającej. Wykonaj pomiary dla 20 próbek włókien i zbierz łącznie 100 różnych pomiarów.</li>
</ol>

<ol><li>Anderson, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Absence+of+diffusion+in+certain+random+lattices%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev%22%5BJournal%5D)">Absence of diffusion in certain random lattices.</a> Phys. Rev. 109, 1492-1505 (1958).</li>
<li>John, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strong+localization+of+photons+in+certain+disordered+dielectric+super+lattices%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Strong localization of photons in certain disordered dielectric super lattices.</a> Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).</li>
<li>Anderson, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+question+of+classical+localization%3A+a+theory+of+white+paint%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Phil.+Mag.+B%22%5BJournal%5D)">The question of classical localization: a theory of white paint?</a> Phil. Mag. B. 52, 505-509 (1985).</li>
<li>Wiersma, D. S., Bartolini, P., Lagendijk, A., Righini, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Localization+of+light+in+a+disordered+medium%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Localization of light in a disordered medium.</a> Nature. 390, 671-673 (1997).</li>
<li>Dalichaouch, R., Armstrong, J. P., Schultz, S., Platzman, P. M., McCall, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microwave+localization+by+two-dimensional+random+scattering%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Microwave localization by two-dimensional random scattering.</a> Nature. 354, 53-55 (1991).</li>
<li>Lagendijk, A. D., de Vries, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transverse+localization+of+light%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Transverse localization of light.</a> Phys. Rev. Lett. 62, 47(1989).</li>
<li>Schwartz, T., Bartal, G., Fishman, S., Segev, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transport+and+Anderson+localization+in+disordered+two+dimensional+photonic+lattices%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Transport and Anderson localization in disordered two dimensional photonic lattices.</a> Nature. 446, 52-55 (2007).</li>
<li>Szameit, A., Kartashov, Y. V., Zeil, P., Dreisow, F., Heinrich, M., Keil, R., Nolte, S., Tunnermann, A., Vysloukh, V. A., Torner, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wave+localization+at+the+boundary+of+disordered+photonic+lattices%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Wave localization at the boundary of disordered photonic lattices.</a> Opt. Lett. 35, 1172-1174 (2010).</li>
<li>Martin, L., Giuseppe, G. D., Perez-Leij, A. a, Keil, R., Dreisow, F., Heinrich, M., Nolte, S., Szameit, A., Abouraddy, A. F., Christodoulides, D. N., Saleh, B. E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anderson+localization+in+optical+waveguide+arrays+with+off-diagonal+coupling+disorder%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Anderson localization in optical waveguide arrays with off-diagonal coupling disorder.</a> Opt. Express. 19, 13636-13646 (2011).</li>
<li>Lahini, Y., Avidan, A., Pozzi, F., Sorel, M., Morandotti, R., Christodoulides, D. N., Silberberg, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anderson+localization+and+nonlinearity+in+one-dimensional+disordered+photonic+lattices%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Anderson localization and nonlinearity in one-dimensional disordered photonic lattices.</a> Phys. Rev. Lett. 100, 013906(2008).</li>
<li>Karbasi, S., Mirr, C. R., Yarandi, P. G., Frazier, R. J., Koch, K. W., Mafi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observation+of+transverse+Anderson+localization+in+an+optical+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Observation of transverse Anderson localization in an optical fiber.</a> Opt. Lett. 37, 2304-2306 (2012).</li>
<li>Karbasi, S., Mirr, C. R., Frazier, R. J., Yarandi, P. G., Koch, K. W., Mafi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detailed+investigation+of+the+impact+of+the+fiber+design+parameters+on+the+transverse+Anderson+localization+of+light+in+disordered+optical+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Detailed investigation of the impact of the fiber design parameters on the transverse Anderson localization of light in disordered optical fibers.</a> Opt. Express. 20, 18692-18706 (2012).</li>
<li>Karbasi, S., Koch, K. W., Mafi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiple-beam+propagation+in+an+Anderson+localized+optical+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Multiple-beam propagation in an Anderson localized optical fiber.</a> Opt. Express. 21, (2013).</li>
<li>Abdi, O., Wong, K. C., Hassan, T., Peters, K. J., Kowalsky, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cleaving+of+solid+single+mode+polymer+optical+fiber+for+strain+sensor+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Commun%22%5BJournal%5D)">Cleaving of solid single mode polymer optical fiber for strain sensor applications.</a> Opt. Commun. 282, 856-861 (2009).</li>
<li>Karbasi, S., Koch, K. W., Mafi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+modal+perspective+on+the+transverse+Anderson+localization+of+light+in+disordered+optical+lattices%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">A modal perspective on the transverse Anderson localization of light in disordered optical lattices.</a> arXiv. 1301.2385v1, (2013).</li>
<li>Paradigm Optics [Internet]. , Paradigm Optics, Incorporated. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.paradigmoptics.com/">http://www.paradigmoptics.com/</a> (c2000-2012).</li>
<li>Karbasi, S., Hawkins, T., Ballato, J., Koch, K. W., Mafi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transverse+Anderson+localization+in+a+disordered+glass+optical+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Mater.+Express%22%5BJournal%5D)">Transverse Anderson localization in a disordered glass optical fiber.</a> Opt. Mater. Express. 2, 1496-1503 (2012).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

W procesie ciągnienia włókien profil współczynnika załamania światła nie pozostaje stały przez więcej niż metr, zarówno ze względu na krzyżowanie się oryginalnych pasm włókien, jak i ze względu na zmiany średnicy włókien w procesie ciągnienia. Oczekujemy, że bardziej stabilny proces rysowania pomoże wytworzyć światłowód, który jest niezmienny na dłuższych długościach światłowodów w porównaniu z opisanym tutaj.
Przygotowując próbkę do obrazowania SEM końcówki włókna, musimy upewnić się, że prób...

W pracy teoretycznej P.W. Andersona 1 wykazano, że w obecności nieporządku w kwantowym systemie elektronicznym, proces dyfuzji zatrzymuje się i rozwijają się zlokalizowane stany elektronowe. Lokalizacja Andersona to zjawisko falowe, które może również wystąpić w przypadku fal klasycznych, takich jak światło. Od czasu teoretycznych przewidywań lokalizacji Andersona w optyce 2,3 podjęto wiele prób eksperymentalnego zrealizowania tego zjawiska za pomocą fal elektromagnetycznych 4,5. Jednak osiągnięcie silnej lokalizacji było bardzo trudne, ponieważ przekroje czynne rozpraszania optycznego są często zbyt małe ze względu na niski kontrast współczynnika załamania światła większości materiałów optycznych. W 1989 roku De Raedt i wsp.6 wykazali, że możliwe jest obserwowanie lokalizacji Andersona w quasi-dwuwymiarowym, nieuporządkowanym układzie optycznym o niskim współczynniku załamania światła. Wykazali, że jeśli zaburzenie jest ograniczone do płaszczyzny poprzecznej rozchodzącej się fali w ośrodku niezmienniczym wzdłużnie, wiązka może pozostać ograniczona do małego obszaru w kierunku poprzecznym z powodu silnego rozpraszania poprzecznego. Poprzeczna lokalizacja Andersona została po raz pierwszy zaobserwowana w dwuwymiarowych falowodach, które zostały stworzone przy użyciu wzorów interferencyjnych w krysztale fotorefrakcyjnym 7. Stopiona krzemionka jest drugim ośrodkiem, który został użyty do obserwacji poprzecznej lokalizacji Andersona 8,9, gdzie nieuporządkowane falowody są zapisywane za pomocą impulsów femtosekundowych wzdłuż próbki. Różnica współczynnika załamania światła miejsc nieuporządkowanych w wyżej wymienionych układach jest rzędu 10-4 , więc promień lokalizacji jest dość duży. Dodatkowo typowe falowody zwykle nie są dłuższe niż kilka centymetrów; W związku z tym mogą nie być praktyczne w zastosowaniach z falą prowadzoną. Zwracamy uwagę, że obserwacja poprzecznej lokalizacji Andersona w jednowymiarowym nieuporządkowanym falowodzie została opisana wcześniej w Ref 10.
Światłowód opracowany tutaj ma kilka zalet w porównaniu z poprzednimi realizacjami lokalizacji poprzecznej Andersona dla zastosowań fal prowadzonych 11,12. Po pierwsze, duża różnica refrakcyjna wynosząca 0,1 między miejscami zaburzeń światłowodu skutkuje małą zlokalizowaną wiązką porównywalną z promieniem wiązki zwykłych światłowodów. Po drugie, światłowód nieuporządkowany polimerem może być znacznie dłuższy niż nieuporządkowane falowody zapisane zewnętrznie w kryształach fotorefrakcyjnych lub stopionej krzemionce. Udało nam się zaobserwować poprzeczną lokalizację Andersona we włóknie 11 o długości 60 cm. Po trzecie, światłowód z zaburzeniami polimerowymi jest elastyczny, co czyni go praktycznym w rzeczywistych zastosowaniach na poziomie urządzenia, które opierają się na transporcie fal świetlnych w światłowodach 13.
Aby wytworzyć nieuporządkowany światłowód, losowo wymieszano 40 000 nici PMMA i 40 000 nici PS, gdzie każda nić miała 8 cali długości i 250 μm średnicy. Losowo wymieszane pasma zostały złożone w kwadratową preformę o przekroju poprzecznym o szerokości boku około 2,5 cala. Preforma została następnie narysowana do kwadratowego światłowodu o szerokości boku około 250 μm (rysunek 1). Aby losowo wymieszać oryginalne pasma włókien, rozłożyliśmy warstwę pasm włókien PMMA na dużym stole, dodaliśmy warstwę pasm włókien PS, a następnie losowo wymieszaliśmy je ze sobą. Procedurę powtarzano wiele razy, aż uzyskano dobrą losową mieszankę.
Użyliśmy skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) do zobrazowania profilu indeksu refrakcji światłowodu polimerowego. Regularne techniki rozszczepiania, takie jak użycie ostrego, podgrzewanego ostrza, nie mogą być stosowane do przygotowania próbek włókien do obrazowania SEM końca włókna w celu odwzorowania jego profilu współczynnika załamania światła, ponieważ ostrze uszkadza morfologię końca włókna. Polerowanie włókna ma podobny szkodliwy wpływ na jakość końcówki włókna. W celu przygotowania wysokiej jakości próbek do obrazowania SEM, zanurzyliśmy każde włókno w ciekłym azocie na kilka minut, a następnie rozbiliśmy włókno; jeśli zostanie wykonana na wystarczającej liczbie próbek włókien, metoda ta daje kilka dobrych kawałków włókien (około 15% wskaźnika sukcesu) z bardzo wysokiej jakości i gładkimi powierzchniami końcowymi do obrazowania SEM. Następnie użyliśmy 70% roztworu alkoholu etylowego w temperaturze 60 °C przez około 3 minuty, aby rozpuścić miejsca PMMA na końcu włókna; Dłuższa ekspozycja może spowodować rozpad całego końca włókna. Następnie pokryliśmy próbki Au/Pd i umieściliśmy je w komorze SEM. Powiększony obraz SEM nieuporządkowanego światłowodu polimerowego pokazano na rysunku 2. Jasnoszare miejsca to PS, a ciemne miejsca to PMMA. Całkowita szerokość obrazu wynosi 24 μm, przy czym najmniejsze rozmiary elementów na tym obrazie wynoszą ~0,9 μm, co odpowiada indywidualnym rozmiarom miejsc pasm włókien, po procesie rysowania.
Aby scharakteryzować właściwości falowodu nieuporządkowanego światłowodu, użyliśmy lasera He-Ne o długości fali 633 nm. Laser He-Ne jest sprzężony z jednomodowym światłowodem SMF630hp o średnicy pola modowego około 4 μm, który jest następnie sprzężony doczołowo z nieuporządkowanym światłowodem polimerowym za pomocą precyzyjnego stopnia zmotoryzowanego. Dane wyjściowe są następnie obrazowane na profilerze wiązki kamery CCD za pomocą obiektywu 40X.
W pierwszym zestawie eksperymentów wybraliśmy 20 różnych próbek włókien o nieuporządkowanej długości, każda o długości 5 cm; długość 5 cm została wybrana tak, aby odpowiadała długości propagacji w naszych symulacjach numerycznych. Symulacje numeryczne nieuporządkowanego włókna są na ogół bardzo czasochłonne, nawet w klastrze obliczeniowym o wysokiej wydajności z 1100 elementami. Pełna poprzeczna lokalizacja Andersona dla długości fali 633 nm następuje dopiero po około 2,5 cm rozchodzenia się 11,12; Dlatego zdecydowaliśmy, że długość 5 cm jest wystarczająca do naszych celów. Ze względu na stochastyczną naturę lokalizacji Andersona, musieliśmy powtórzyć zarówno eksperymenty, jak i symulacje dla 100 realizacji, aby zebrać wystarczającą ilość danych statystycznych do porównania eksperymentalnych i numerycznych wartości średniej średnicy wiązki. W praktyce 100 różnych pomiarów uzyskuje się, wykonując pięć przestrzennie oddzielonych pomiarów na każdej z 20 różnych próbek włókien nieuporządkowanych.
Dość trudno jest przygotować nieuporządkowane światłowody polimerowe do pomiarów, w porównaniu z światłowodami szklanymi. Na przykład nie można używać zaawansowanych narzędzi i technik do cięcia i polerowania, które są dobrze rozwinięte dla standardowych włókien na bazie krzemionki. Udoskonalona procedura cięcia i polerowania światłowodów polimerowych została opisana przez Abdi i wsp. 14; Wykorzystaliśmy ich metody z niewielkimi modyfikacjami do przygotowania naszych próbek włókien. W celu rozszczepienia światłowodu z zaburzeniami polimerowymi, zakrzywione ostrze X-Acto jest podgrzewane do 65 °C, a światłowód do 37 °C. Końcówka włókna jest wyrównana na powierzchni cięcia, dzięki czemu można wykonać czyste, prostopadłe cięcie. Ostrze jest umieszczone z boku włókna i szybko przetaczane w poprzek. Cały proces cięcia powinien być wykonany tak szybko, jak to możliwe, aby temperatura ostrza i włókna nie uległa znacznym zmianom. Po rozszczepieniu włókna i sprawdzeniu go pod mikroskopem optycznym, koniec światłowodu jest polerowany za pomocą standardowych arkuszy do docierania włókien (papier do polerowania tlenku glinu 0,3 μm Thorlabs LFG03P), aby upewnić się, że wszelkie drobne niedoskonałości zostały usunięte. Aby wypolerować końcówkę włókna, trzyma się ją w pęsetzie, przy czym pęseta przytrzymuje włókno w odległości około 1,5 mm od polerowanej powierzchni czołowej. Włókno jest przeciągane po papierze po długich na jeden cal ścieżkach w kształcie cyfry 8, około osiem razy. Polerowanie włókna skutkuje gładszymi krawędziami, jak to zostało sprawdzone pod mikroskopem optycznym. Co więcej, polerowanie ułatwia prawidłowe sprzężenie z zlokalizowanym miejscem we włóknie, co z kolei zmniejsza tłumienie zarówno w sprzężeniu, jak i w początkowej odległości propagacji przed utworzeniem zlokalizowanego miejsca.
Użyliśmy profilera wiązki kamery CCD, aby zobrazować intensywność wiązki wyjściowej. Profil intensywności bliskiego pola został uchwycony za pomocą obiektywu 40X. Aby znaleźć granice światłowodu, nasyciliśmy CCD, zwiększając moc światła wpadającego ze światłowodu SMF630hp. Po wykryciu profilu intensywności zlokalizowanej wiązki względem granic, ustawiamy profilometr wiązki CCD na opcję automatycznej ekspozycji. Wykorzystaliśmy obraz profilu natężenia w celu obliczenia efektywnego promienia wiązki. W celu zniwelowania efektu szumu otoczenia skalibrowaliśmy naszą procedurę przetwarzania obrazu, aby zapewnić uzyskanie oczekiwanej średnicy wiązki światłowodu SMF630hp. Średnia zmierzona wartość promienia wiązki i jej odchylenia wokół wartości średniej dobrze zgadzają się z symulacjami numerycznymi, jak pokazano w ref. 11. Profil wiązki wyjściowej we włóknie polimerowym wyraźnie podąża za zmianą położenia wiązki padającej, jak pokazano w Refs. 11,12,13.
Kompleksowe badanie wpływu parametrów projektowych, takich jak nieporządek, rozmiary miejsc i długość fali padającej, na promień wiązki zlokalizowanej wiązki zostało przedstawione w Refs. Rozdział 12,15.

<table><tbody><tr><td>poli(metakrylan metylu) (PMMA)</td><td></td><td></td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>polistyren (PS)</td><td></td><td></td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>70% roztwór alkoholu etylowego o stężeniu 65 & deg; C</td><td></td><td></td><td>&nbsp;</td></tr></tbody></table>

wytwarzanie i charakterystyka nieuporządkowanych światłowodów polimerowych do poprzecznej lokalizacji światła andersona

Fabrication and Characterization of Disordered Polymer Optical Fibers for Transverse Anderson Localization of Light

Rozwijamy i charakteryzujemy nieuporządkowany światłowód polimerowy, który wykorzystuje poprzeczną lokalizację Andersona jako nowatorski mechanizm falowody. Opracowany światłowód polimerowy składa się z 80 000 pasm poli(metakrylanu metylu) (PMMA) i polistyrenu (PS), które są losowo mieszane i wciągane do światłowodu o przekroju kwadratowym o szerokości boku 250 μm. Początkowo każde pasmo ma średnicę 200 μm i 8 cali długości. Podczas procesu mieszania oryginalnych pasm włókien włókna krzyżują się ze sobą; Jednak duży współczynnik naciągu gwarantuje, że profil współczynnika załamania światła jest niezmienny na całej długości włókna na przestrzeni kilkudziesięciu centymetrów. Duża różnica współczynnika załamania światła wynosząca 0,1 między nieuporządkowanymi miejscami skutkuje małym zlokalizowanym promieniem wiązki, który jest porównywalny z promieniem wiązki konwencjonalnych światłowodów. Światło wejściowe jest wystrzeliwane ze standardowego światłowodu jednomodowego metodą sprzężenia doczołowego, a wiązka wyjściowa bliskiego pola z nieuporządkowanego światłowodu jest obrazowana za pomocą obiektywu 40X i kamery CCD. Średnica wiązki wyjściowej dobrze zgadza się z oczekiwanymi wynikami symulacji numerycznych. Nieuporządkowany światłowód przedstawiony w tej pracy jest pierwszą implementacją lokalizacji 2D Andersona na poziomie urządzenia i może być potencjalnie wykorzystany do transportu obrazu i krótkodystansowych systemów komunikacji optycznej.

Obraz SEM wypolerowanego włókna przedstawiono na Rysunku 1. Obraz SEM na Rysunku 1 wykazuje, że w większości obszarów czoła włókna jakość polerowania jest dobra. Obraz SEM próbek włókien z końcami rozpuszczonymi w roztworze alkoholu etylowego, Rysunek 2, przedstawia obszary PMMA w kolorze ciemnym, a obszary PS w kolorze szarym. Obraz SEM na Rysunku 2 jest powiększeniem fragmentu włókna o szerokości 24 μm. Do obrazowania SEM próbki włókien powleczono wars...

Rozwijamy i charakteryzujemy nieuporządkowany światłowód polimerowy, który wykorzystuje poprzeczną lokalizację Andersona jako nowatorski mechanizm falowody. To mikrostrukturalne włókno może transportować małą zlokalizowaną wiązkę o promieniu porównywalnym z promieniem wiązki konwencjonalnych światłowodów.

Wytwarzanie i charakterystyka nieuporządkowanych światłowodów polimerowych do poprzecznej lokalizacji światła Andersona

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wytworzenie i charakterystyka nieuporządkowanego włókna optycznego do poprzecznej lokalizacji Andersona światła. Cel ten osiąga się poprzez wstępne zmieszanie pasm polimetakrylanu metylu i polistyrenu oraz wykonanie kprefetchu do procesu wyciągania. Drugim krokiem jest obrazowanie profilu współczynnika załamania światła wyciągniętego włókna.Po rozpuszczeniu włókien PMMA przeprowadzono analizę za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej. Następnie próbki wyciągnionego włókna zostały przecięte i wypolerowane w celu optycznej charakterystyki lokalizacji Andersona. Ostatnim krokiem jest przetestowanie próbek w układzie optycznym poprzez oświetlenie nieuporządkowanego włókna światłem z lasera helowo-neonowego.Ostatecznie profil intensywności wyjściowej zlokalizowanej wiązki jest obrazowany za pomocą profilera wiązki z kamerą CCD. Aby wykazać poprzeczną lokalizację Andersona dla światła, należy rozpocząć od rozłożenia około 200 włókien PMMA na stole, a następnie rozłożyć taką samą liczbę włókien polistyrenowych na wierzchu włókien PMMA. Wymieszać włókna ze sobą, a następnie odłożyć je na bok.Powtarzaj tę procedurę do momentu, aż 40 000 nici PMMA zostanie wymieszane losowo z 40 000 nici polistyrenu. Następnie uformuj z losowo wymieszanych nici kwadratową preformę o bokach o długości około 2,5 cala. W kolejnym kroku zleć wyciągnięcie preformy w światłowód o średnicy 250 mikronów firmie specjalizującej się w tego rodzaju procedurach.Reprezentuje to około 64 000-krotną redukcję pola przekroju pierwotnych włókien. Następnie zanurz polimerowe włókno optyczne w ciekłym azocie na około 10 minut, aby umożliwić wykonanie czystego przełomu. Ciekły azot szybko chłodzi włókno, sprawiając, że w miarę schładzania staje się ono bardzo kruche.Przygotować kąpiel z alkoholu etylowego i podgrzać ją do 65 °C. Po 10 minutach wyjąć włókna z ciekłego azotu i szybko przełamać je na pół. Należy przełamać co najmniej 20 włókien do obrazowania, ponieważ wskaźnik sukcesu w uzyskaniu gładkiej powierzchni wynosi nadal tylko około 15%. Stosując tę metodę, należy następnie zanurzyć przełamane końcówki próbek w 70% alkoholu etylowym na około trzy minuty.W tym czasie alkohol etylowy rozpuszcza miejsca PMMA we włóknie, pozostawiając jedynie włókna polistyrenowe. Następnie umieść włókna na uchwycie do próbek i pokryj każdą próbkę warstwą złota i palladu o grubości 10 nanometrów. Potem umieść pokryte próbki w komorze skaningowego mikroskopu elektronowego w celu obrazowania profilu współczynnika załamania próbek, wykorzystując wiązkę elektronów o energii 5 keV przy powiększeniu zapewniającym najlepszą rozdzielczość dla włókien o średnicy 0,9 mikrona.Przygotować próbki włókien o długości około 25 centymetrów do charakterystyki optycznej, uprzednio podgrzewając włókna do 37 °C, a zakrzywione ostrze służące do ich przycinania do 65 °C. Temperatury te zapobiegają deformacji końcówki włókna, która może wystąpić podczas procesu przecinania. Następnie ułożyć włókno w linii na powierzchni tnącej w taki sposób, aby możliwe było wykonanie czystego, prostopadłego cięcia w poprzek końcówki.Następnie przyłóż ostrze do boku włókna i szybko przetocz je po jego powierzchni. Przez cały czas utrzymuj ostrze żyletki pod kątem prostym do włókna. Sprawdź końcówkę włókna pod mikroskopem optycznym, aby upewnić się, że została ona ścięta prostopadle do boków włókna.Pozwala to na lepsze sprzężenie w dalszej części procedury. Następnie poleruj każde włókno pojedynczo, chwytając je 1,5 millimeters od jednego z końców i prowadząc włókno na odcinku jednej cala. Wykonuj ruchy w kształcie ósemki na papierze polerskim z tlenkiem glinu o ziarnistości 0.3 micron.Wykonaj około ośmiu pętli, aby upewnić się, że cała końcówka została wypolerowana. Następnie sprzęgnij laser helowo-neonowy emitujący światło o długości fali 633 nanometrów z włóknem SMF 630 HP o średnicy czterech mikronów. Aby to osiągnąć, umieść najpierw obiektyw 20x na stoliku o trzech stopniach swobody.Należy również ustawić dwa płaskie zwierciadła z dwoma stopniami swobody. Początkowo należy umieścić światłowód SMF w odległości ośmiu milimetrów od końcówki obiektywu, a następnie zmienić położenie zwierciadeł i obiektywu tak, aby skierować wiązkę lasera na końcówkę światłowodu. Po wyrównaniu należy podłączyć drugą stronę światłowodu SMF do miernika mocy.Należy kontynuować regulację położenia luster i obiektywu, aż do uzyskania mocy sprzężonej równej 1 mW. Moc 1 mW jest wystarczająca do przeprowadzenia pomiarów charakterystyki włókna. Następnie należy sprzęgnąć włókno SMF 630 HP z polimerowym włóknem optycznym.Należy użyć stolika motoryzowanego, który powinien umożliwiać przemieszczanie się we wszystkich trzech kierunkach kartezjańskich. Najpierw, korzystając z kontroli poprzecznej, należy wycentrować oba światłowody względem siebie. Następnie należy wykorzystać przemieszczenie wzdłużne, aby zbliżyć światłowód SMF jak najbliżej światłowodu polimerowego.Mniejsza szczelina powietrzna między światłowodem SMF a światłowodem polimerowym zredukuje rozszerzenie wiązki. Następnie należy umieścić cały układ na drugim stoliku motoryzowanym, który porusza się w kierunku podłużnym. Drugi stolik motoryzowany będzie służył do wyrównania wiązki względem kamery CCD.Następnie za pomocą mikroskopu optycznego i lustra ustawionego pod kątem prostym należy sprawdzić położenie włókien. Niewielkie nachylenie lub odkształcenie czoła włókna polimerowego powstałe w wyniku procesu łupania lub polerowania może ograniczać minimalną szczelinę powietrzną między SMF a włóknem polimerowym. Następnie, używając profilometru wiązki z kamerą CCD i obiektywu 40 x, należy zmierzyć wiązkę wyjściową włókna.W pierwszej kolejności, korzystając z pokręteł w uchwycie obiektywu, nasyć kamerę CCD, aby monitorować granice włókna polimerowego. Upewnij się, że granice włókna polimerowego są widoczne na obrazie z kamery CCD. Następnie, przy nieruchomej kamerze CCD i obiektywie, użyj zmotoryzowanego stolika, aby ustawić ostrość obrazu w kamerze CCD, przesuwając układ od obiektywu 40 x lub w jego kierunku.Na koniec przesuń poprzecznie wiązkę padającą, wychodzącą z SMF, wzdłuż końcówki włókna polimerowego, aby zaobserwować lokalizację w różnych obszarach włókna polimerowego. Zmierz intensywność wiązki wyjściowej dla różnych pozycji wiązki padającej przy wyłączonym świetle. Zbierz dane dla pięciu różnych pozycji wiązki padającej i przeprowadź pomiary dla 20 próbek włókien, co łącznie daje 100 różnych pomiarów.Następnie uśrednia się 100 różnych pomiarów profili wiązki, aby wykazać poprzeczną lokalizację Andersona w światłowodzie. Przedstawiono tutaj końcowy produkt w postaci polerowanego końca światłowodu polimerowego. Obraz końca światłowodu polimerowego wykonany za pomocą mikroskopu elektronowego pokazuje, że większość obszarów po zastosowaniu tego protokołu jest dobrze wypolerowana.Po rozpuszczeniu włókien polimetakrylanu metylu w etanolu pozostają jedynie włókna polistyrenowe. Jest to tzw. profil współczynnika załamania, który w prosty sposób obrazuje rozmieszczenie włókien polistyrenowych i polimetakrylanu metylu. Tutaj przedstawiono przykładowy profil natężenia zmierzony kamerą CCD po pięciu centymetrach propagacji.Kolor czerwony wskazuje zlokalizowany profil, a kolor żółty stanowi ogon intensywności. Obraz ten przedstawia światłowód, który jest zlokalizowany w kierunku poprzecznym nieuporządkowanego światłowodu.

fabrication-characterization-disordered-polymer-optical-fibers-for

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Produkcja i Charakteryzacja Nieuporządkowanych Polimerowych Włókien Optycznych dla Poprzecznej Lokalizacji Andersona Światła

Metamateriały w częstotliwościach terahercowych oferują unikalne możliwości, jednak ich wytwarzanie w skali masowej jest trudne. Adaptujemy procedurę wytwarzania mikrostrukturalnych polimerowych światłowodów, aby tanio produkować metamateriały potencjalnie na skalę przemysłową. Wytwarzamy włókna z polimetakrylanu metylu zawierające druty indu o średnicy ~10 μm oddalone od siebie o ~100 μm, które wykazują terahercową odpowiedź plazmonową.

Wytwarzanie metamateriałów przy użyciu metody wyciągania włókien

Wykorzystanie falowodów i wnęk fotonicznych zostało szeroko przyjęte przez społeczność fotoniczną w wielu różnych zastosowaniach. Dlatego produkcja i charakterystyka tych urządzeń cieszy się dużym zainteresowaniem. W artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwie metody charakterystyki optycznej, a mianowicie: interferometrię (falowody) i rozpraszanie rezonansowe (wnęki).

Wytwarzanie i charakterystyka falowodów i wnęk wolnowodnych kryształów fotonicznych

Dwa sąsiadujące ze sobą płyny przechodzące przez rowkowany kanał mikroprzepływowy mogą być skierowane tak, aby tworzyły osłonę wokół rdzenia prepolimerowego; określając w ten sposób zarówno kształt, jak i przekrój. Polimeryzacja inicjowana foto, taka jak chemia tiolowa, doskonale nadaje się do szybkiego zestalania płynu rdzeniowego w mikrofibrę o określonym rozmiarze i kształcie.

Mikroprzepływowa produkcja włókien polimerowych i biohybrydowych o wstępnie zaprojektowanym rozmiarze i kształcie

Nieuporządkowane struktury oferują nowe mechanizmy tworzenia fotonicznych pasm wzbronionych i niespotykaną dotąd swobodę w projektach funkcjonalnych defektów. Aby obejść wyzwania obliczeniowe związane z nieuporządkowanymi systemami, konstruujemy modułowe próbki makroskopowe nowej klasy materiałów PBG i wykorzystujemy mikrofale do scharakteryzowania ich niezmiennych właściwości fotonicznych w łatwy i niedrogi sposób.

Wykorzystanie mikrofalowych i makroskopowych próbek dielektrycznych ciał stałych do badania właściwości fotonicznych nieuporządkowanych materiałów fotonicznych wzbronionych

Informujemy, że limit dyfrakcji konwencjonalnej litografii optycznej może zostać pokonany poprzez wykorzystanie przejść organicznych pochodnych fotochromowych wywołanych przez ich fotoizomeryzację przy niskim natężeniu światła. 1-3 W tym artykule przedstawiono naszą technikę wytwarzania i dwa mechanizmy blokujące, a mianowicie: rozpuszczenie jednego fotoizomeru i utlenianie elektrochemiczne.

Modelowanie za pomocą przejść nasycalnych optycznych - produkcja i charakterystyka

Przedstawiamy protokół wytwarzania wnęk kryształów fotonicznych 1D na włóknach krzemionkowych o średnicy podfalowej (nanowłókna optyczne) za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym.

Wytwarzanie 1-D fotonicznej wnęki kryształu na nanowłóknie za pomocą ablacji indukowanej laserem femtosekundowym

Demonstrujemy transmisję wielu niezależnych sygnałów przez światłowód wielomodowy za pomocą kształtowania czoła fali za pomocą pojedynczego przestrzennego modulatora światła. Modulując czoło fali dla każdego sygnału z osobna, przesyłane są przestrzennie oddzielone ogniska. Potencjalne zastosowania to multipleksowany transfer danych w inżynierii komunikacyjnej oraz endoskopowe dostarczanie światła w biofotonice.

Transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali

Przedstawiono protokoły syntezy mikrosfer z polimerów, manipulacji mikrosferami i pomiarów mikrofotoluminescencji.

Wytwarzanie mikrosfer polimerowych do zastosowań w rezonatorach optycznych i laserach

Optyczne fantomy tkanek są niezbędnymi narzędziami do kalibracji i charakterystyki systemów obrazowania optycznego oraz walidacji modeli teoretycznych. W tym artykule szczegółowo opisano metodę wytwarzania fantomów, która obejmuje replikację właściwości optycznych tkanek i trójwymiarowej struktury tkanki.

Wytwarzanie i charakterystyka fantomów tkanek optycznych zawierających makrostrukturę

Ten protokół opisuje projektowanie i produkcję mostu wodnego oraz jego aktywację jako włókna wodnego. Eksperyment pokazuje, że rezonanse kapilarne włókna wodnego modulują jego transmisję optyczną.

Projekt i wykonanie światłowodu wodnego

Przedstawiono metodę budowy niestandardowego, taniego, zsynchronizowanego w trybie femtosekundowego lasera światłowodowego do potencjalnych zastosowań w mikroskopii wielofotonowej, endoskopii i fotomedycynie. Ten laser jest zbudowany przy użyciu dostępnych na rynku części i podstawowych technik łączenia.

Tania, niestandardowa produkcja i działanie lasera femtosekundowego o całkowicie normalnej dyspersji do mikroskopii wielofotonowej

Poznaj metodę wytwarzania nieuporządkowanych światłowodów polimerowych z wykorzystaniem lokalizacji Andersona do poprzecznego prowadzenia światła. Technika ta umożliwia skuteczny transport zlokalizowanej wiązki laserowej.

Wytwarzanie i charakterystyka nieuporządkowanych światłowodów polimerowych do poprzecznej lokalizacji światła Andersona

Przeglądaj więcej filmów