Herstellung und Charakterisierung von Disordered Optische Polymerfasern für Quer Anderson Localization of Light

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine ungeordnete optische Faser für die transversale Anderson-Lokalisierung von Licht herzustellen und zu charakterisieren. Dies wird erreicht, indem zunächst Stränge aus Polymethyl, Methacrylat und Polystyrol gemischt und eine Vorform für den Ziehprozess hergestellt wird. Der zweite Schritt besteht darin, das Brechungsindexprofil der gezogenen Faser abzubilden.

Sobald die PMMA-Fasern mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie aufgelöst wurden. Als nächstes werden die Proben einer gezogenen Faser gespalten und poliert, um die optische Charakterisierung der Anderson-Lokalisierung zu charakterisieren. Der letzte Schritt besteht darin, die Proben im optischen Aufbau zu testen, indem die ungeordnete Faser mit Helium-Neon-Laserlicht beleuchtet wird.

Letztendlich wird das Ausgangsintensitätsprofil des lokalisierten Strahls auf einem CCD-Kamerastrahl-Profiler abgebildet. So zeigen Sie die transversale Anderson-Lokalisierung von Licht Beginnen Sie damit, etwa 200 PMMA-Stränge auf einem Tisch zu verteilen, und verteilen Sie dann die gleiche Anzahl von Polystyrolsträngen auf dem PMMA. Vermische die Stränge miteinander und lege sie dann beiseite.

Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis 40.000 Stränge PMMA nach dem Zufallsprinzip mit 40.000 Strängen Polystyrol gemischt werden. Dann die zufällig gemischten Stränge zu einem Quadrat zusammensetzen, eine Vorform mit einer Seitenlänge von etwa 2,5 Zoll. Lassen Sie anschließend den Preform von einem Unternehmen, das sich auf diese Art von Verfahren spezialisiert hat, in eine optische Faser mit einem Durchmesser von 250 Mikrometern ziehen.

Dies entspricht einer etwa 64.000-fachen Verkleinerung der Querschnittsfläche der ursprünglichen Fasern. Tauchen Sie dann die Polymer-Glasfaser etwa 10 Minuten lang in flüssigen Stickstoff, damit ein sauberer Bruch hergestellt werden kann. Der flüssige Stickstoff kühlt die Faser schnell ab und macht sie beim Abkühlen der Fasern sehr spröde.

Bereiten Sie ein Bad mit Ethylalkohol vor und erwärmen Sie es auf 65 Grad Celsius. Entfernen Sie nach 10 Minuten die Fasern aus dem flüssigen Stickstoff und brechen Sie sie schnell in zwei Hälften. Brechen Sie mindestens 20 Fasern für die Bildgebung, da die Erfolgsquote für das Erreichen einer glatten Oberfläche immer noch nur etwa 15% beträgtBei dieser Methode tauchen Sie die abgebrochenen Spitzen der Proben etwa drei Minuten lang in 70%Ethylalkohol.

Während dieser Zeit löst der Ethylalkohol die PMMA-Stellen in der Faser auf, so dass nur die Polystyrolfasern übrig bleiben. Legen Sie anschließend die Fasern auf einen Probenhalter und beschichten Sie jede Probe mit einer 10 Nanometer dicken Schicht aus Gold-Palladium. Legen Sie dann die beschichteten Proben in die Kammer des Rasterelektronenmikroskops, um das Brechungsindexprofil der Proben mit einem Elektronenvolt-Elektronenstrahl von fünf Kilokilovolt bei einer Vergrößerung abzubilden, die die beste Auflösung der Fasern mit einem Durchmesser von 0,9 Mikrometern ermöglicht.

Bereiten Sie etwa 25 Zentimeter lange Faserproben für die optische Charakterisierung vor, indem Sie die Fasern auf 37 Grad Celsius vorwärmen und eine gebogene Klinge zum Schneiden der Fasern auf 65 Grad Celsius verwenden. Diese Temperaturen verhindern eine Verformung der Faserspitze, die während des Spaltvorgangs auftreten kann. Als nächstes wird eine Faserlinie auf eine Schneidfläche gelegt, so dass ein sauberer senkrechter Schnitt über die Spitze gemacht werden kann.

Lege dann die Klinge auf die Seite der Faser und rolle die Klinge schnell darüber. Halten Sie die Rasierklinge immer im rechten Winkel zur Faser. Untersuchen Sie die Faserspitze mit einem optischen Mikroskop, um sicherzustellen, dass die Faserspitze senkrecht zu den Faserseiten gespalten ist.

Dies ermöglicht eine verbesserte Kopplung im späteren Verlauf des Verfahrens. Polieren Sie als Nächstes jede Faser nacheinander, indem Sie sie 1,5 Millimeter von einem Ende entfernt greifen und die Faser in einer Länge von einem Zoll ziehen. Abbildung acht geformte Pfade auf 0,3 Mikron Aluminiumoxid-Polierpapier.

Machen Sie ungefähr acht Schlaufen, um sicherzustellen, dass die gesamte Spitze poliert wird. Dann ein Paar Helium-Neon-Laser, die eine Wellenlänge von 633 Nanometern an Licht an eine SMF-Faser mit 630 HP mit einem Durchmesser von vier Mikrometern emittieren. Um diesen ersten Platz zu erreichen, ein 20-fach-Ziel auf eine Bühne mit drei Freiheitsgraden.

Setzen Sie außerdem zwei flache Spiegel mit zwei Freiheitsgraden ein. Platzieren Sie die SMF-Faser zunächst acht Millimeter von der Objektivspitze entfernt und positionieren Sie dann die Spiegel und das Objektiv neu, um das Laserlicht auf die Spitze der Faser zu richten. Verbinden Sie nach dem Ausrichten die andere Seite der SMF-Faser mit einem Leistungsmesser.

Passen Sie die Position der Spiegel und des Objektivs weiter an, bis eine gekoppelte Leistung von einem Milliwatt erreicht ist. Ein Milliwatt ist ausreichend Leistung für die Messungen der Fasercharakterisierung. Nächstes Paar, die SMF 630 HP Faser auf die Polymer-Lichtwellenleiter.

Mit Hilfe eines motorisierten Tisches sollte der motorisierte Tisch in alle drei kartesischen Richtungen bewegt werden können. Zentrieren Sie zunächst die beiden Fasern zusammen mit der Quersteuerung. Verwenden Sie dann die Längsverschiebung, um die SMF-Faser so nah wie möglich an die Polymerfaser zu bewegen.

Ein kleinerer Luftspalt zwischen der SMF-Faser und der Polymerfaser reduziert die Ausdehnung des Strahls. Als nächstes platzt der gesamte Aufbau auf einem zweiten motorisierten Tisch, der sich in Längsrichtung bewegt. Der zweite motorisierte Tisch wird verwendet, um den Strahl auf die CCD-Kamera auszurichten.

Beobachten Sie dann die Position der Fasern mit einem optischen Mikroskop und einem rechtwinkligen Spiegel. Eine kleine Neigung oder Verformung in der Polymerfaserspitze aufgrund der Spalt- oder Polierprozesse kann den minimalen Luftspalt zwischen dem SMF und der Polymerfaser begrenzen. Verwenden Sie als Nächstes einen CCD-Kamerastrahl-Profiler, um die Ausgabe der Faser mit einem 40-fach-Objektiv zu messen.

Sättigen Sie zunächst die CCD-Kamera, um die Grenzen der Polymerfaser mit den Knöpfen am Objektivhalter zu überwachen. Stellen Sie sicher, dass die Polymerfasergrenzen auf dem CCD sichtbar sind. Verwenden Sie dann den motorisierten Tisch, um das Bild auf der CCD-Kamera zu fokussieren, indem Sie das Setup weg oder in Richtung des 40-fach-Objektivs bewegen, während der CCD und das Objektiv fixiert sind.

Streichen Sie abschließend den einfallenden Strahl, der aus dem SMF austritt, quer über die Spitze der Polymerfaser, um die Lokalisierung in verschiedenen Bereichen der Polymerfaser zu beobachten. Messen Sie die Intensität des Ausgangslichts für verschiedene Positionen des einfallenden Lichtkegels bei ausgeschaltetem Licht. Sammeln Sie Daten an fünf verschiedenen Positionen des einfallenden Strahls und führen Sie die Messungen für 20 Faserproben durch, also insgesamt 100 verschiedene Messungen.

100 verschiedene Messungen der Strahlprofile werden dann gemittelt, um die transversale Anderson-Lokalisation der Faser zu zeigen. Hier ist das Endprodukt einer polierten Polymerfaserspitze zu sehen. Die elektronenmikroskopische Aufnahme der Polymerfaserspitze zeigt, dass die meisten Regionen nach diesem Protokoll gut poliert werden.

Wenn die Polymethylmethacrylatfasern weggelöst werden und Ethanol übrig bleibt, bleiben nur die Polystyrolfasern übrig. Dies ist das sogenannte Brechungsindexprofil, das die Anordnung von Polystyrol- und Polymethylmethacrylat-Fasern leicht anzeigt. Ein Beispiel für ein Intensitätsprofil, wie es mit einer CCD-Kamera gemessen wurde, ist hier nach fünf Zentimetern Ausbreitung zu sehen.

Das Rot zeigt das lokalisierte Profil an und das Gelb ist das Ende der Intensität. Dieses Bild zeigt eine Faser, die in Querrichtung der ungeordneten Faser lokalisiert ist.