Fabricação e caracterização de polímeros desordenados fibras ópticas para Transverse Anderson localização da Luz

O objetivo geral deste procedimento é fabricar e caracterizar uma fibra óptica desordenada para a localização transversal de Anderson da luz. Isso é realizado primeiramente misturando filamentos de polimetil metacrilato e poliestireno, e produzindo um pré-formado para o processo de estiramento. O segundo passo é obter imagens do perfil do índice de refração da fibra estirada.

Uma vez que as fibras de PMMA tenham sido dissolvidas utilizando microscopia eletrônica de varredura. Em seguida, as amostras de uma fibra estirada são clivadas e polidas para a caracterização óptica da localização de Anderson. O passo final consiste em testar as amostras no arranjo óptico, iluminando a fibra desordenada com luz de laser de hélio-neônio.

Por fim, o perfil de intensidade de saída do feixe localizado é capturado por um perfilador de feixe com câmera CCD. Para demonstrar a localização transversal de Anderson da luz, comece espalhando cerca de 200 filamentos de PMMA sobre uma mesa e, em seguida, espalhe o mesmo número de filamentos de poliestireno sobre o PMMA. Misture os filamentos e depois coloque-os em um dos lados.

Repita este procedimento até que 40.000 filamentos de PMMA sejam misturados aleatoriamente com 40.000 filamentos de poliestireno. Em seguida, monte os filamentos misturados aleatoriamente em um preforma quadrada com lados de aproximadamente 2,5 polegadas. Depois, faça com que a preforma seja puxada em uma fibra óptica com diâmetro de 250 micrômetros por uma empresa especializada neste tipo de procedimento.

Isso representa aproximadamente uma redução de 64.000 vezes na área da seção transversal das fibras originais. Em seguida, mergulhe a fibra óptica polimérica em nitrogênio líquido por cerca de 10 minutos, para que uma fratura limpa possa ser obtida. O nitrogênio líquido resfria rapidamente a fibra e a torna muito frágil à medida que as fibras esfriam.

Prepare um banho de álcool etílico e aqueça-o a 65 graus Celsius. Após 10 minutos, remova as fibras do nitrogênio líquido e quebre-as rapidamente ao meio. Quebre pelo menos 20 fibras para análise de imagem, pois a taxa de sucesso para obtenção de uma superfície lisa ainda é de apenas cerca de 15%. Usando este método, submerja em seguida as pontas quebradas das amostras em álcool etílico 70% por cerca de três minutos.

Durante esse período, o álcool etílico dissolve os sítios de PMMA na fibra, deixando apenas as fibras de poliestireno. Em seguida, coloque as fibras sobre um suporte de amostra e recubra cada amostra com uma camada de ouro-paládio com 10 nanômetros de espessura. Então, coloque as amostras recobertas na câmara do microscópio eletrônico de varredura para obtenção de imagens, utilizando um feixe de elétrons de cinco quilo elétron-volts, com uma magnificação que permita a melhor resolução das fibras com diâmetro de 0,9 mícron.

Prepare amostras de fibra com cerca de 25 centímetros de comprimento para caracterização óptica, pré-aquecendo as fibras a 37 graus Celsius e utilizando uma lâmina curva aquecida a 65 graus Celsius para cortar as fibras. Essas temperaturas evitam a deformação da ponta da fibra que pode ocorrer durante o processo de clivagem. Em seguida, posicione uma linha de fibra sobre uma superfície de corte para que um corte perpendicular limpo possa ser feito na ponta.

Em seguida, posicione a lâmina na lateral da fibra e rapidamente gire a lâmina sobre ela. Mantenha a lâmina de barbear sempre em ângulo reto em relação à fibra. Inspecione a ponta da fibra usando um microscópio óptico para garantir que a ponta da fibra foi clivada perpendicularmente às laterais da fibra.

Isso permite um acoplamento aprimorado posteriormente no procedimento. Em seguida, pola cada fibra individualmente segurando-as a 1,5 milímetro de uma das extremidades e deslizando a fibra ao longo de um percurso de um polegar de comprimento em trajetórias em forma de número oito sobre papel de polimento de óxido de alumínio de 0,3 mícron.

Realize aproximadamente oito laços para garantir que toda a ponta seja polida. Em seguida, acople um laser de hélio-neônio que emite uma luz com comprimento de onda de 633 nanômetros a uma fibra SMF 630 HP com diâmetro de quatro mícrons. Para isso, coloque inicialmente um objetivo de 20 x em uma platina com três graus de liberdade.

Coloque também dois espelhos planos com dois graus de liberdade. Inicialmente, posicione a fibra SMF a oito milímetros de distância da ponta do objetivo, depois reposicione os espelhos e o objetivo para direcionar a luz do laser até a ponta da fibra. Após o alinhamento, conecte o outro extremo da fibra SMF a um medidor de potência.

Continue ajustando a posição dos espelhos e da objetiva até que uma potência acoplada de um miliwatt seja alcançada. Um miliwatt é uma potência suficiente para as medições de caracterização da fibra. Em seguida, acople a fibra SMF 630 HP à fibra óptica de polímero.

Usando uma platina motorizada, a platina motorizada deve ser capaz de se mover nas três direções cartesianas. Primeiro, centralize as duas fibras juntas utilizando o controle transversal. Em seguida, use o deslocamento longitudinal para mover a fibra de fibra monomodo (SMF) o mais próximo possível da fibra polimérica.

Uma menor distância entre a fibra SMF e a fibra polimérica reduzirá a expansão do feixe. Em seguida, coloque todo o conjunto em uma segunda plataforma motorizada que se move na direção longitudinal. A segunda plataforma motorizada será usada para alinhar o feixe com a câmera CCD.

Em seguida, observe a posição das fibras utilizando um microscópio óptico e um espelho com ângulo reto. Uma pequena inclinação ou deformação na ponta da fibra polimérica devido aos processos de clivagem ou polimento pode limitar a distância mínima de separação entre a fibra SMF e a fibra polimérica. A seguir, utilize um perfilador de feixe com câmera CCD para medir a saída da fibra utilizando uma objetiva de 40 x.

Primeiro, sature a câmera CCD para monitorar os limites da fibra polimérica usando os botões no suporte do objetivo. Certifique-se de que os limites da fibra polimérica possam ser observados na câmera CCD. Em seguida, utilize a platina motorizada para focalizar a imagem na câmera CCD, movendo o conjunto para longe ou em direção ao objetivo de 40 x, enquanto a CCD e o objetivo permanecem fixos.

Por fim, varra transversalmente o feixe incidente que sai da fibra monomodo (SMF) ao longo da ponta da fibra polimérica para observar a localização em diferentes regiões da fibra polimérica. Meça a intensidade do feixe de saída para diferentes posições do feixe incidente com as luzes apagadas. Colete dados em cinco posições diferentes do feixe incidente e realize as medições em 20 amostras de fibra, totalizando 100 medições distintas.

100 medições diferentes dos perfis do feixe são então médias para mostrar a localização transversal de Anderson da fibra. Mostrado aqui está o produto final de uma ponta de fibra polimérica polida. A imagem do microscópio eletrônico da ponta da fibra polimérica mostra que a maioria das regiões acaba bem polida após este protocolo.

Quando as fibras de polimetilmetacrilato são dissolvidas e resta apenas etanol, permanecem somente as fibras de poliestireno. Isso é o que se conhece como perfil do índice de refração, que mostra facilmente a disposição das fibras de poliestireno e de polimetilmetacrilato. Um exemplo de perfil de intensidade, medido pela câmera CCD, é mostrado aqui após cinco centímetros de propagação.

O vermelho indica o perfil localizado e o amarelo é a cauda da intensidade. Esta imagem é de uma fibra que está localizada na direção transversal da fibra desordenada.