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1、微/纳米塑料光纤的制备,彭伟华 导师：张国权 2120130175,目录,1 研究背景,微纳光纤技术的发展光纤的广泛应用,光纤应用,光通信,非线性光学,传感,功率传输,天文研究,安全监测,研究背景,光波导的历史,1966年C.Kao和G.Hockham提出了在高纯度的玻璃里实现低损耗传输光的可能性，这大大推进了光通信产业中纤维光学的确立。20世纪70年代,纤维光学研究行业繁荣发展。,1999年,J.Bures和R.Ghosh报道了关于亚波长直径的超细纤维的理论工作。2003年,童利民等人用实验的方法制备了MNFs,并将其用于低损耗的光学传输。,光波导的历史,2 MNFs特性,微纳米光纤(Mic
2、ro-/Nano fibers-MNFs)标准玻璃光纤,由两部分组成:一个固体的圆柱形纤芯,周围是折射率相对较低的包层。一个标准单模通信光纤,比如康宁的SMF28,其裸光纤和纤芯的直径分别为125m和9m。,图1 标准光纤中依靠全反射的光波导,(a)芯径相对大的光纤(b)芯径相对小的光纤。如图(a),由于全反射作用,光沿着光纤轴向在光纤内部传输。在反射区域,光入射到交界面,一小部分光进入了高折射率纤芯的分界线,在包层中产生倏逝场,最后又返回到纤芯中,这就使反射光在轴线的方向产生了一个很微小的位移,我们称之为古斯-汉欣位移。当光纤直径减小时,光就会更频繁地进入分界线,与此同时芯径外面的倏逝场就会
3、增加,如图(b)所示。,MNFs特性,MNFs,图2 芯径小于传输光波长的MNFs中的光波导,当光纤芯径小于光波波长时,就会有相当一部分的光功率传送到芯径以外。如图2所示,由于光纤的芯径不够粗,从而通过入射光和反射光不能产生一个稳定的电磁场,这就意味着射线光学不再适用。对于一个芯径小于光波波长的光纤来说,芯层和包层间的高折射率差会使光在一定程度上得到很好的约束,对于MNFs,环境中的低折射率介质如空气、水和某种气体和液体等通常被看作其包层。,MNFs特性,塑料光纤(Plastic Optical Fiber-POF)的优缺点,优点：抗电磁干扰制造成本低耦合效率高柔韧性好对应力很敏感，并且热光系
4、数为负与有机物有着极好的相容性,POF,缺点：传输损耗大耐热性差，一般范围是-4080带宽小缺乏行业标准，供应商较少,3 制备方法,MNFs在制备方面的问题,化学生长法,刻蚀法,损耗比较大,表面粗糙度较大,直径均匀度较差,损耗比较大,耗费大量时间和精力,制作步骤冗长,制备方法,通过高温拉锥法制备的微纳米光纤表面质量高、操作简单、均匀性好、传输损耗低，有效地解决了上述两种方法的问题。拉锥技术是用拉锥的方法将大体积的材料拉成细光纤的一种方法。如下图所示,这种技术可以应用于玻璃和塑料等多种材料,只要这种材料具有适合拉锥的粘度即可。,拉锥技术示意图,制备方法,飞箭拉制细光纤,火焰扫描拉制光纤,制备方法
5、,CO2激光加热拉制光纤,制备方法,利用聚合物溶解液拉制 MNFs,制备方法,用蓝宝石锥将微米光纤拉制成 MNFs 的示意图,童利民等人提出了用两步法将石英光纤拉制成直径更小的MNFs。第一步与前面提到的直接将石英光纤拉制成微米光纤的方法一样,可以拉制出几百纳米到几微米的MNFs。第二步采用蓝宝石做热源以提供稳定的工作温度，用一个尖端为 100m 左右的蓝宝石光纤锥来吸收火焰热能。,制备方法,童利民等人还进一步提出了自调制拉伸法。在第二步的拉制过程中用一个自调制的拉力来取代不变的拉力。在开始的时候由于光纤较粗,所以需要较大的拉力,弯曲发生在较粗的区域,随着光纤逐渐变细,所需拉力变小,弯曲区慢慢
6、自发转移至弯曲张力较细的拉锥区。由于拉伸过程中拉伸力逐渐变化,用于平衡的弯曲张力也随之变化。用这样的方法得到的MNFs直径可小至20nm。,用自调制拉力拉制MNFs,制备方法,通过熔融 PMMA 材料制备 MNFs,从熔融的聚合物材料中拉制 MNFs,制备方法,直接从块状玻璃中拉制MNFs的示意图,童利民等提出了从块状玻璃材料中直接拉制MNFs的方法。(a)用CO2激光器或者火焰加热蓝宝石光纤(直径为几百微米)使其达到玻璃的软化温度,将块状玻璃靠近光纤;(b)由于局部的熔化,光纤会浸入到玻璃中;(c)将光纤取出,会有一部分熔化的玻璃留在光纤上;(d)接下来,用另外一个蓝宝石光纤接触有玻璃包裹的
7、蓝宝石光纤;(e)当温度降到适合拉制光纤的时候,快速拉伸这根光纤;(f)这样就会得到MNFs。用这种方法制备的MNFs是没有锥形的独立的MNFs,光纤直径可达50nm,长度可达数十毫米。,制备方法,用两步热熔拉伸法制备 MNFs。首先将商用 POF 放置在酒精灯的上方,待 POF 被加热至熔融状态时,移开热源,迅速拉伸其两端,可以将原来毫米量级的 POF 制成直径约为 10m,长度达几十厘米,且表面均匀性和光滑度都非常好的 MNFs。第二步将 MNFs 的一端放置在电烙铁上,待 MNFs 被加热至熔融状态时拉伸其自由端。通过这一步可以获得直径小于 3m 的 MNFs。,用两步法制备 MNFs,
8、制备方法,第一步拉制的 MNFs(a)d=10m;(b)d=25m,第二步拉制的 MNFs(a)d=3m;(b)d=5m,应用展望,波长为 1550nm 时,芯径分别为(a)2m 和(b)1m 的塑料 MNFs 的能量分布。在波长为 1550nm 时,直径为 2m 的 MNFs 纤芯内束缚了较多的能量,而直径为 1m 的 MNFs 相对来说对能量的束缚较弱,其余的能量以倏逝波的形式存在。,4 应用展望,MNFs 最突出的特性就是对传输光束缚的减弱,从而增强了其周围倏逝波的强度,使其对外界(如折射率和温度等)极其敏感,非常有利于制成高灵敏度的光纤传感功能器件。,MNFs 可以直接用于传感(图(a
9、)-(f)或者作为波导用于传感器与光源和探测器的连接(图(c)、(g)-(j)。图(a)是最简单的裸露的 MNFs 传感器。图(b)是一个涂有化学或者生物试剂的 MNFs。图(c)是利用 MNFs 做输入和输出的一类传感器。图(d)-(j)分别是直的 MNFs 传感器,环形 MNFs 传感器,MNFs/微球传感器,MNF/微盘传感器,MNFs/微柱体传感器,MNFs/微细管传感器。,参考文献,1 Mynbaev D K,Scheiner L L.Fiber-Optic Communications Technology M.New York:Prentice Hall,2001.2 DeCus
10、atis C.Handbook of Fiber Optic Data CommunicationM.Boston:Aca-demic Press,2008.3 Udd E.Fiber Optic Sensors:An Introduction for Engineers and ScientistsM.New York:John Wiley and Sons,Inc.1991.4 Katzir A.Lasers and Optical Fibers in MedicineM.London:Academic Press,1993.5 Agrawal G P.Nonlinear Fiber Op
11、ticsM.Boston:Academic Press,2007.6 Hecht J.City of Light:The Story of Fiber OpticsM.New York:Oxford Univer-sity Press,1999.7 Kakarantzas G,Dimmick T E.Birks T.A.,et al.Miniature all-fiber devices basedon CO2laser microstructuring of tapered fibersJ.Optics letters,2001,26(15):1137-1139.8 Domachuk P,Eggleton B J.Photonics:Shrinking optical fibresJ.Nature materi-als,2004,3(2):85-86.9 Mendez A,Morse T F.Specialty optical fibers handbookM.Amsterdam:Aca-demic Press,2007.10Goff D R.Fiber Optic Reference GuideM.Woburn,Massachusetts:Focal Press,2002.,Thank you!,
