微納米塑料光纖

微/納米塑料光纖的制備

導(dǎo)師：張國(guó)權(quán)21201301752013.12.31目錄1研究背景2MNFs特性3制備方法4應(yīng)用展望21研究背景微納光纖技術(shù)的發(fā)展光纖的廣泛應(yīng)用光纖應(yīng)用光通信非線性光學(xué)傳感功率傳輸天文研究安全監(jiān)測(cè)3研究背景光波導(dǎo)的歷史19世紀(jì)，D.ColladonandJ.Tyndall觀察到光在水與空氣的分界面上做全反射,從而導(dǎo)致光隨水流而彎曲的現(xiàn)象。1880年W.Wheeling發(fā)明了光導(dǎo)管。1887年,英國(guó)物理學(xué)家C.V.Boys最早從熔融的礦物質(zhì)中拉制出很細(xì)的玻璃光纖，直徑小于1μm，被譽(yù)為“最細(xì)的玻璃絲”，現(xiàn)在的微納米光纖1959年NarinderS.Kapany最早將這種玻璃絲用于光的傳導(dǎo)。1960年T.Maiman發(fā)明了第一臺(tái)激光器。

1966年C.Kao和G.Hockham提出了在高純度的玻璃里實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸光的可能性，這大大推進(jìn)了光通信產(chǎn)業(yè)中纖維光學(xué)的確立。20世紀(jì)70年代,纖維光學(xué)研究行業(yè)繁榮發(fā)展。

1999年,J.Bures和R.Ghosh報(bào)道了關(guān)于亞波長(zhǎng)直徑的超細(xì)纖維的理論工作。

2003年,童利民等人用實(shí)驗(yàn)的方法制備了MNFs,并將其用于低損耗的光學(xué)傳輸。

光波導(dǎo)的歷史42MNFs特性微納米光纖(Micro-/Nanofibers-MNFs)標(biāo)準(zhǔn)玻璃光纖

由兩部分組成:一個(gè)固體的圓柱形纖芯,周圍是折射率相對(duì)較低的包層。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單模通信光纖,比如康寧的SMF28,其裸光纖和纖芯的直徑分別為125μm和9μm。

圖1標(biāo)準(zhǔn)光纖中依靠全反射的光波導(dǎo)(a)芯徑相對(duì)大的光纖(b)芯徑相對(duì)小的光纖。如圖(a),由于全反射作用,光沿著光纖軸向在光纖內(nèi)部傳輸。在反射區(qū)域,光入射到交界面,一小部分光進(jìn)入了高折射率纖芯的分界線,在包層中產(chǎn)生倏逝場(chǎng),最后又返回到纖芯中,這就使反射光在軸線的方向產(chǎn)生了一個(gè)很微小的位移,我們稱之為古斯-漢欣位移。當(dāng)光纖直徑減小時(shí),光就會(huì)更頻繁地進(jìn)入分界線,與此同時(shí)芯徑外面的倏逝場(chǎng)就會(huì)增加,如圖(b)所示。5MNFs特性MNFs圖2芯徑小于傳輸光波長(zhǎng)的MNFs中的光波導(dǎo)

當(dāng)光纖芯徑小于光波波長(zhǎng)時(shí),就會(huì)有相當(dāng)一部分的光功率傳送到芯徑以外。如圖2所示,由于光纖的芯徑不夠粗,從而通過入射光和反射光不能產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電磁場(chǎng),這就意味著射線光學(xué)不再適用。對(duì)于一個(gè)芯徑小于光波波長(zhǎng)的光纖來說,芯層和包層間的高折射率差會(huì)使光在一定程度上得到很好的約束,對(duì)于MNFs,環(huán)境中的低折射率介質(zhì)如空氣、水和某種氣體和液體等通常被看作其包層。6MNFs特性塑料光纖(PlasticOpticalFiber-POF)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：抗電磁干擾制造成本低耦合效率高柔韌性好對(duì)應(yīng)力很敏感，并且熱光系數(shù)為負(fù)與有機(jī)物有著極好的相容性POF缺點(diǎn)：傳輸損耗大耐熱性差，一般范圍是-40~80℃帶寬小缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，供應(yīng)商較少73制備方法MNFs在制備方面的問題化學(xué)生長(zhǎng)法刻蝕法損耗比較大表面粗糙度較大直徑均勻度較差損耗比較大耗費(fèi)大量時(shí)間和精力制作步驟冗長(zhǎng)8制備方法

通過高溫拉錐法制備的微納米光纖表面質(zhì)量高、操作簡(jiǎn)單、均勻性好、傳輸損耗低，有效地解決了上述兩種方法的問題。拉錐技術(shù)是用拉錐的方法將大體積的材料拉成細(xì)光纖的一種方法。如下圖所示,這種技術(shù)可以應(yīng)用于玻璃和塑料等多種材料,只要這種材料具有適合拉錐的粘度即可。拉錐技術(shù)示意圖9制備方法

飛箭拉制細(xì)光纖

火焰掃描拉制光纖

10制備方法CO2激光加熱拉制光纖11制備方法利用聚合物溶解液拉制MNFs

12制備方法用藍(lán)寶石錐將微米光纖拉制成MNFs的示意圖童利民等人提出了用兩步法將石英光纖拉制成直徑更小的MNFs。第一步與前面提到的直接將石英光纖拉制成微米光纖的方法一樣,可以拉制出幾百納米到幾微米的MNFs。第二步采用藍(lán)寶石做熱源以提供穩(wěn)定的工作溫度，用一個(gè)尖端為100μm左右的藍(lán)寶石光纖錐來吸收火焰熱能。

13制備方法童利民等人還進(jìn)一步提出了自調(diào)制拉伸法。在第二步的拉制過程中用一個(gè)自調(diào)制的拉力來取代不變的拉力。在開始的時(shí)候由于光纖較粗,所以需要較大的拉力,彎曲發(fā)生在較粗的區(qū)域,隨著光纖逐漸變細(xì),所需拉力變小,彎曲區(qū)慢慢自發(fā)轉(zhuǎn)移至彎曲張力較細(xì)的拉錐區(qū)。由于拉伸過程中拉伸力逐漸變化,用于平衡的彎曲張力也隨之變化。用這樣的方法得到的MNFs直徑可小至20nm。用自調(diào)制拉力拉制MNFs14制備方法通過熔融PMMA材料制備MNFs從熔融的聚合物材料中拉制MNFs

15制備方法直接從塊狀玻璃中拉制MNFs的示意圖童利民等提出了從塊狀玻璃材料中直接拉制MNFs的方法。(a)用CO2激光器或者火焰加熱藍(lán)寶石光纖(直徑為幾百微米)使其達(dá)到玻璃的軟化溫度,將塊狀玻璃靠近光纖;(b)由于局部的熔化,光纖會(huì)浸入到玻璃中;(c)將光纖取出,會(huì)有一部分熔化的玻璃留在光纖上;(d)接下來,用另外一個(gè)藍(lán)寶石光纖接觸有玻璃包裹的藍(lán)寶石光纖;(e)當(dāng)溫度降到適合拉制光纖的時(shí)候,快速拉伸這根光纖;(f)這樣就會(huì)得到MNFs。用這種方法制備的MNFs是沒有錐形的獨(dú)立的MNFs,光纖直徑可達(dá)50nm,長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十毫米。16制備方法用兩步熱熔拉伸法制備MNFs。首先將商用POF放置在酒精燈的上方,待POF被加熱至熔融狀態(tài)時(shí),移開熱源,迅速拉伸其兩端,可以將原來毫米量級(jí)的POF制成直徑約為10μm,長(zhǎng)度達(dá)幾十厘米,且表面均勻性和光滑度都非常好的MNFs。第二步將MNFs的一端放置在電烙鐵上,待MNFs被加熱至熔融狀態(tài)時(shí)拉伸其自由端。通過這一步可以獲得直徑小于3μm的MNFs。用兩步法制備MNFs17制備方法第一步拉制的MNFs(a)d=10μm;(b)d=25μm第二步拉制的MNFs(a)d=3μm;(b)d=5μm18應(yīng)用展望

波長(zhǎng)為1550nm時(shí),芯徑分別為(a)2μm和(b)1μm的塑料MNFs的能量分布。在波長(zhǎng)為1550nm時(shí),直徑為2μm的MNFs纖芯內(nèi)束縛了較多的能量,而直徑為1μm的MNFs相對(duì)來說對(duì)能量的束縛較弱,其余的能量以倏逝波的形式存在。

194應(yīng)用展望

MNFs最突出的特性就是對(duì)傳輸光束縛的減弱,從而增強(qiáng)了其周圍倏逝波的強(qiáng)度,使其對(duì)外界(如折射率和溫度等)極其敏感,非常有利于制成高靈敏度的光纖傳感功能器件。

MNFs可以直接用于傳感(圖(a)-(f))或者作為波導(dǎo)用于傳感器與光源和探測(cè)器的連接(圖(c)、(g)-(j))。圖(a)是最簡(jiǎn)單的裸露的MNFs傳感器。圖(b)是一個(gè)涂有化學(xué)或者生物試劑的MNFs。圖(c)是利用MNFs做輸入和輸出的一類傳感器。圖(d)-(j)分別是直的MNFs傳感器,環(huán)形MNFs傳感器,MNFs/微球傳感器,MNF/微盤傳感器,MNFs/微柱體傳感器,MNFs/微細(xì)管傳感器。20參考文獻(xiàn)[1]MynbaevDK,ScheinerLL.Fiber-OpticCommunicationsTechnology[M].NewYork:PrenticeHall,2001.[2]DeCusatisC.HandbookofFiberOpticDataCommunication[M].Boston:Aca-demicPress,2008.[3]UddE.FiberOpticSensors:AnIntroductionforEngineersandScientists[M].NewYork:JohnWileyandSons,Inc.1991.[4]KatzirA.LasersandOpticalFibersinMedicine[M].London:AcademicPress,1993.[5]AgrawalGP.NonlinearFiberOptics[M].Boston:AcademicPress,2007.[6]HechtJ.CityofLight:TheStoryofFiberOptics[M].NewYork:OxfordUniver-sityPress,1999.[7]KakarantzasG,DimmickTE.BirksT.A.,etal.Miniatureall-fiberdevicesbasedonCO2lasermicrostructuringoftaperedfibers[J].Opticsletters,2001,26(15):1137-1139.[8]DomachukP,EggletonBJ.Photonics:Shrinkingopticalfibres[J].Naturemateri-als,2004,3(2):85-86.[9]MendezA,Morse