Изготовление и характеристика неупорядоченных полимерных оптических волокон для поперечной Андерсон локализация света

Общая цель данной процедуры — изготовление и характеризация разупорядоченного оптического волокна для поперечной андерсоновской локализации света. Это достигается путем первоначального смешивания нитей полиметилметакрилата и полистирола с последующим созданием заготовки для процесса вытяжки. Вторым этапом является получение изображения профиля показателя преломления вытянутого волокна.

После растворения волокон ПММА проводится исследование с помощью сканирующей электронной микроскопии. Затем образцы вытянутого волокна разрезают и полируют для оптической характеризации локализации Андерсона. Заключительным этапом является тестирование образцов в оптической установке путем освещения разупорядоченного волокна светом гелий-неонового лазера.

В конечном итоге профиль интенсивности выходного локализованного пучка регистрируется с помощью профилометра пучка на базе ПЗС-камеры. Для демонстрации поперечной андерсоновской локализации света сначала разложите около 200 нитей ПММА на столе, затем поверх них разложите такое же количество полистирольных нитей. Перемешайте нити между собой, после чего отодвиньте их в сторону.

Повторяйте эту процедуру до тех пор, пока 40 000 нитей PMMA не будут случайным образом перемешаны с 40 000 нитями полистирола. Затем сформируйте из случайным образом перемешанных нитей квадратную заготовку со сторонами примерно 2,5 inches. После этого передайте заготовку в компанию, специализирующуюся на подобных процедурах, для вытягивания из нее оптического волокна диаметром 250 microns.

Это представляет собой сокращение площади поперечного сечения исходных волокон примерно в 64 000 раз. Затем погрузите полимерное оптическое волокно в жидкий азот примерно на 10 минут, чтобы обеспечить чистый излом. Жидкий азот быстро охлаждает волокно, из-за чего оно становится очень хрупким по мере охлаждения.

Подготовьте ванночку с этиловым спиртом и нагрейте ее до 65 °C. Через 10 минут извлеките волокна из жидкого азота и быстро разломите их пополам. Разломайте не менее 20 волокон для последующей визуализации, так как вероятность получения гладкой поверхности составляет всего около 15%. После применения этого метода погрузите разломанные концы образцов в 70% этиловый спирт примерно на три минуты.

В течение этого времени этиловый спирт растворяет участки ПММА в волокне, в результате чего остаются только полистирольные волокна. Затем поместите волокна на держатель для образцов и нанесите на каждый образец слой золота-палладия толщиной 10 nanometer. После этого поместите покрытые образцы в камеру сканирующего электронного микроскопа для получения изображений профиля показателя преломления образцов, используя электронный пучок с энергией 5 keV при увеличении, обеспечивающем наилучшее разрешение для волокон диаметром 0.9 micron.

Подготовьте образцы волокон длиной около 25 см для оптической характеризации, предварительно нагрев волокна до 37 °C, а изогнутое лезвие, используемое для разрезания волокон, до 65 °C. Эти температуры предотвращают деформацию кончика волокна, которая может возникнуть в процессе скола. Затем выложите волокно в линию на режущей поверхности так, чтобы можно было сделать чистый перпендикулярный разрез поперек кончика.

Затем приложите лезвие к боковой поверхности волокна и быстрым движением прокатите его по волокну. Постоянно удерживайте лезвие бритвы под прямым углом к волокну. Осмотрите конец волокна с помощью оптического микроскопа, чтобы убедиться, что срез конца волокна перпендикулярен его боковым сторонам.

Это обеспечивает более качественное соединение на последующих этапах процедуры. Затем отполируйте каждое волокно по отдельности, удерживая его за 1,5 миллиметров от одного из концов и перемещая волокно по траектории в виде восьмерки на отрезке длиной в один дюйм, используя полировальную бумагу с оксидом алюминия с размером зерна 0,3 микрон.

Сделайте примерно восемь круговых движений, чтобы обеспечить полировку всего наконечника. Затем соедините гелий-неоновый лазер, излучающий свет с длиной волны 633 нанометр, с одномодовым волокном SMF 630 HP диаметром четыре микрона. Для этого сначала установите объектив 20x на предметный столик с тремя степенями свободы.

Также установите два плоских зеркала с двумя степенями свободы. Сначала расположите одномодовое волокно (SMF) на расстоянии восьми миллиметров от кончика объектива, затем переместите зеркала и объектив так, чтобы направить лазерный луч на кончик волокна. После юстировки подключите другой конец волокна SMF к измерителю мощности.

Продолжайте настраивать положение зеркал и объектива до тех пор, пока не будет достигнута мощность ввода 1 mW. Мощности 1 mW достаточно для проведения измерений по определению характеристик волокна. Затем соедините волокно SMF 630 HP с полимерным оптическим волокном.

Используйте моторизованный столик, который должен обеспечивать перемещение по всем трем декартовым направлениям. Сначала совместите центры двух волокон, используя поперечное управление. Затем с помощью продольного смещения максимально приблизьте одномодовое волокно (SMF) к полимерному волокну.

Меньший воздушный зазор между одномодовым волокном (SMF) и полимерным волокном позволит уменьшить расхождение пучка. Затем поместите всю установку на вторую моторизированную платформу, которая перемещается в продольном направлении. Вторая моторизированная платформа будет использоваться для юстировки пучка относительно ПЗС-камеры.

Затем исследуйте положение волокон с помощью оптического микроскопа и зеркала под углом 90°. Небольшой наклон или деформация кончика полимерного волокна, возникшие в результате скалывания или полировки, могут ограничить минимальный воздушный зазор между SMF и полимерным волокном. Далее, используя профилометр пучка с ПЗС-камерой и объектив 40x, измерьте выходное излучение волокна.

Сначала с помощью ручек на держателе объектива настройте ПЗС-камеру так, чтобы границы полимерного волокна были четко видны. Убедитесь, что границы полимерного волокна отображаются на ПЗС-камере. Затем с помощью моторизованного столика сфокусируйте изображение на ПЗС-камере, перемещая установку удаляя ее от 40 x объектива или приближая к нему, в то время как ПЗС-камера и объектив остаются неподвижными.

Наконец, переместите падающий пучок, выходящий из SMF, поперек кончика полимерного волокна, чтобы исследовать локализацию в различных областях полимерного волокна. Измерьте интенсивность выходного пучка для различных положений падающего пучка при выключенном освещении. Соберите данные в пяти различных положениях падающего пучка и проведите измерения для 20 образцов волокна, что в общей сложности составит 100 различных измерений.

Затем усредняются 100 различных измерений профилей пучка для демонстрации поперечной локализации Андерсона в волокне. Здесь представлен конечный результат полировки наконечника полимерного волокна. Снимок наконечника полимерного волокна, полученный с помощью электронного микроскопа, показывает, что при следовании данному протоколу большинство областей оказываются хорошо отполированными.

После растворения волокон из полиметилметакрилата в этаноле остаются только полистирольные волокна. Это так называемый профиль показателя преломления, который позволяет легко визуализировать расположение полистирольных и полиметилметакрилатных волокон. Здесь представлен пример профиля интенсивности, измеренного с помощью ПЗС-камеры, после пяти сантиметров распространения.

Красный цвет обозначает локализованный профиль, а желтый — хвост интенсивности. На данном изображении представлена мода, локализованная в поперечном направлении разупорядоченного волокна.