Изготовление и характеристика неупорядоченных полимерных оптических волокон для поперечной Андерсон локализация света
Summary
Мы разрабатываем и характеризуют неупорядоченного полимера оптического волокна, которое использует поперечной локализации Андерсона в качестве механизма распространения излучения романа. Это микроструктурированных волокон может транспортировать малых локализованных пучка с радиусом, что сопоставимо с радиусом пучка обычных оптических волокон.
Abstract
Мы разрабатываем и характеризуют неупорядоченного полимера оптического волокна, которое использует поперечной локализации Андерсона в качестве механизма распространения излучения романа. Разработанные полимера оптического волокна состоит из 80 000 нитей поли (метилметакрилата) (ПММА) и полистирола (PS), который случайно смешаны и втягивается в квадратное поперечное сечение оптического волокна со стороной шириной 250 мкм. Первоначально, каждая прядь составляет 200 мкм в диаметре и 8 дюймов длиной. В процессе перемешивания оригинального волокна нити, волокна пересекают друг друга, однако большая степень вытяжки гарантирует, что профиль показателя преломления инвариантно вдоль длины волокна в течение нескольких десятков сантиметров. Большая разность показателей преломлени между 0,1 неупорядоченной результат сайтов в малых локализованных радиус пучка, что сопоставимо с радиусом пучка обычных оптических волокон. Входного света запускается из стандартного одномодового оптического волокна с использованием приклада метода сильной связи и неаR-поле выходного пучка из неупорядоченного волокно визуализируют с помощью объектив 40Х и ПЗС-камеры. Диаметр выходного пучка хорошо согласуется с ожидаемыми результатами численного моделирования. Неупорядоченных оптического волокна, представленные в этой работе является первым устройством, реализация на уровне локализации 2D Андерсон, и потенциально может использоваться для перевозки изображения и ближнемагистральный оптических систем связи.
Introduction
В теоретической работе PW Anderson 1, было показано, что в присутствии беспорядка в квантовой электронной системы, процесс диффузии остановках и локализованных электронных состояний развиваются. Локализация Андерсона представляет собой волну явление, которое может иметь место и для классических волн, таких как свет. Поскольку теоретическое предсказание локализации Андерсона в оптике 2,3, было много усилий по реализации этого явления экспериментально с электромагнитными волнами 4,5. Тем не менее, было очень трудно достичь сильной локализации поскольку оптические сечения рассеяния часто слишком малы из-за низкой контрастности показатель преломления большинство оптических материалов. В 1989 году De Raedt соавт. 6 показал, что можно наблюдать локализации Андерсона в квази-двумерной неупорядоченной оптическая система с низким показателем индекса контрастов. Они показали, что если расстройство приурочена к поперечной плоскости опорыраспространяющихся волн в продольном инвариантной среде, луч может оставаться ограничена небольшой области в поперечном направлении из-за сильного поперечного рассеяния. Поперечная локализация Андерсона было впервые обнаружено в двумерных волноводов, которые были созданы с помощью интерференционных картин в фото-преломления кристалла 7. Плавленый кварц является другой носитель, который был использован для наблюдения поперечной локализации Андерсона 8,9, где неупорядоченных волноводов написаны с использованием фемтосекундных импульсов вдоль образца. Разность показателей преломления неупорядоченных сайтов в вышеупомянутой системы порядка 10 -4, так что радиус локализации является довольно большим. Кроме того, типичные волноводы, как правило, не более нескольких сантиметров, поэтому, они не могут иметь практическое значение для управляемых волны приложений. Отметим, что наблюдения локализации Андерсона в поперечном одномерных неупорядоченных волновода сообщалось ранее в ReF 10.
Оптического волокна разработали здесь имеет ряд преимуществ по сравнению с предыдущим реализациям поперечной локализации Андерсона для направленной волны приложений 11,12. Во-первых, большой разницы преломления между 0,1 расстройство участков волокна приводит к небольшому локализованных луч сравнима с радиусом пучка регулярных оптических волокон. Во-вторых, полимер неупорядоченной оптическое волокно может быть сделано намного больше, чем неупорядоченные волноводов написаны внешне в фоторефрактивные кристаллы или плавленого кварца. Мы имели возможность наблюдать поперечной локализации Андерсона в 60-см длиной волокна 11. В-третьих, неупорядоченного полимера оптического волокна является гибкой, что делает его практичным для реального мира на уровне устройства, приложения, зависящие от транспорта световых волн в слоях 13.
Для изготовления неупорядоченной оптическое волокно, 40000 нити ПММА и 40000 нити PS были случайным смешанных, где каждая ули составила 8 см в длину и 250 мкм в диаметре. Случайно смешанных нитей были собраны в квадратное поперечное сечение преформы с боковой ширину около 2,5 дюймов. Заготовку затем обращается к площади оптического волокна со стороной ширину примерно 250 мкм (рис. 1). Для того, чтобы случайно комбинацию оригинального волокна нити, выкладываем слой ПММА нити волокна на большом столе, добавил слой нитей PS волокна, а затем случайно смешали их вместе. Процедуру повторяют несколько раз, пока смесь хорошо случайным не был получен.
Мы использовали сканирующий электронный микроскоп (SEM) для изображения профиля показателя преломления неупорядоченного полимера оптического волокна. Регулярные расщепления методов, таких как острый нагретый лезвие не могут быть использованы для получения образцов волокна для визуализации SEM торца световода, чтобы сопоставить ее профиль показателя преломления, так как повреждение лопастей морфологии волокна. Полировка волокна имеет аналогичное негативное влияние на гоE Качество торца волокна. В целях подготовки высококачественных образцов для РЭМ изображений, мы погрузились каждый слой в жидком азоте в течение нескольких минут, а затем сломал волокна; если все сделано на достаточно образцов волокна, этот метод приводит к несколько хороших отрезков волокон (около 15% успеха ставка) с очень высоким качеством и гладкие торцевые поверхности для визуализации SEM. Затем мы использовали 70%-ный спиртовой раствор при 60 ° С в течение примерно 3 мин, чтобы растворить ПММА сайтов на конец волокна; длительное воздействие может распадаться весь конец волокна. Мы затем покрывают образцов с Au / Pd и поместили их в камеру SEM. Увеличенная SEM образ неупорядоченного полимера оптического волокна показано на рисунке 2. Светло-серые участки PS и темные участки ПММА. Общая ширина изображения составляет 24 мкм, где мельчайших деталей размерами в этом изображении ~ 0,9 мкм, что соответствует индивидуальным размерам места пряди волокон, после розыгрыша процесса.
Для того, чтобы characteРизе волноводных свойств неупорядоченных оптического волокна, мы использовали гелий-неонового лазера на 633 нм. He-Ne-лазер соединен с одной модой SMF630hp оптическое волокно с диаметром поля моды около 4 мкм, которые затем соединены встык с неупорядоченной полимера оптического волокна использованием высокоточной моторизованных этапе. В этом случае результатом отображается на ПЗС-камера для профилирования луча использованием 40X цели.
В первой серии экспериментов мы выбрали 20 различных неупорядоченных образцов волокна, каждое 5 см длиной, 5 см, длина была выбрана, чтобы соответствовать длины распространения в нашей численного моделирования. Численного моделирования неупорядоченных волокна, как правило, очень много времени, даже на высокой производительности кластерных вычислений с 1100 элементами. Полная поперечная локализации Андерсона для длины волны 633 нм происходит только после того, как около 2,5 см распространения 11,12, поэтому мы решили, что 5 см длиной достаточно для наших целей. Из-за STOChastic характер локализации Андерсона, нам нужно повторить так экспериментов и моделирования для 100 реализаций, для того, чтобы собрать достаточной статистики для сравнения экспериментальных и численных значений среднего диаметра луча. На практике 100 различных измерений получены путем принятия пяти пространственно разделенных измерений на каждой из 20 различных неупорядоченных образцов волокна.
Это довольно трудно подготовить неупорядоченных полимерных оптических волокон для измерений, по сравнению со стеклянными оптическими волокнами. Например, никто не может воспользоваться расширенным расщепляющие и шлифовальные инструменты и методы, которые хорошо развиты для стандартной основе диоксида кремния волокна. Уточненной методике для расщепления и полировки полимерных оптических волокон сообщили Абди и др. 14;. Мы использовали их методы с некоторыми незначительными изменениями, чтобы подготовить наш образцов волокна. Для того, чтобы расщепить полимер неупорядоченной оптическое волокно, изогнутый X-Acto лезвие нагревается до 65 °; С, а волокна до 37 ° С. Кончик волокно выравнивается по режущей поверхности так, чтобы чистое, перпендикулярного разреза могут быть сделаны. Лезвий размещен на стороне волокна, и быстро развернута в поперечнике. Весь процесс расщепление должно быть сделано как можно быстрее, чтобы гарантировать, что температура лопасти и волокна не изменяется значительно. После расщепления волокна и рассматривали ее с помощью оптического микроскопа, конец волокна полируется с использованием стандартного волокна притирка листов (0,3 мкм Thorlabs LFG03P Оксид алюминия Полировка бумаги), чтобы гарантировать, что любые незначительные недостатки удаляются. Для полировки волокна конца, оно проводится в пинцетом с помощью пинцета проведения волокна около 1,5 мм от торца, отполированную. Волокно вытягивают над бумагой в один дюйм длинная фигура-8-форму путей, примерно в восемь раз. Полировка волокна обеспечивает более плавное края, как осмотрел под оптическим микроскопом. Кроме того, полировка облегчает надлежащую связь с Locaванный место в волокна, которые, в свою очередь, уменьшает затухание как в муфте, а также в начальное расстояние распространения до локализованного места формируется.
Мы использовали ПЗС-камера для профилирования луча изображения интенсивность выходного пучка. Интенсивности ближнего поля профиля было снято с использованием 40X цели. Для того чтобы найти границы волокно, мы насыщенный CCD за счет увеличения мощности входящего светового излучения от SMF630hp волокна. После обнаружения профиль интенсивности локализованного пучка относительно границ, мы устанавливаем CCD профиля луча к автоматической экспозиции вариант. Мы использовали изображением профиля интенсивности для того, чтобы рассчитать эффективный радиус пучка. Для того чтобы устранить эффект окружающего шума, мы калиброванный наши процедура обработки изображений, чтобы получить ожидаемого диаметра луча SMF630hp волокна. Среднее значение измеренного значения радиуса пучка и его вариации вокруг среднего значения хорошо согласуются с Numerical моделирования, как показано в работе. 11. Профиль выходного пучка в слое полимера, очевидно, следует изменение положения падающего луча, как показано в работах. 11.12.13.
Проведено комплексное исследование влияния конструктивных параметров, таких как расстройства сайте размеров и длины волны падающего на радиус пучка локализованных луч был представлен в работах. 12,15.
Protocol
Representative Results
Discussion
В процессе ничья волокна, профиль показателя преломления не остается постоянным в течение более чем на метр, и из-за кроссоверов оригинального волокна нити, а также из-за вариации диаметра волокна в розыгрыше процесса. Мы полагаем, что более стабильные ничья процесс поможет в изготовле…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование поддержано грантом числа 1029547 от Национального научного фонда. Авторы хотели бы выразить признательность DJ Уэлкер от Paradigm оптика Инк для обеспечения начальных отрезков волокна, а также пересмотр окончательного оптического волокна. Авторы также признают, Стивен Hardcastle и Хизер А. Оуэн SEM для визуализации.
Materials
| poly (methyl methacrylate) (PMMA) | |||
| polystyrene (PS) | |||
| 70% ethyl alcohol solution at 65 °C |
Referências
- Anderson, P. W. Absence of diffusion in certain random lattices. Phys. Rev. 109, 1492-1505 (1958).
- John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric super lattices. Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).
- Anderson, P. W. The question of classical localization: a theory of white paint?. Phil. Mag. B. 52, 505-509 (1985).
- Wiersma, D. S., Bartolini, P., Lagendijk, A., Righini, R. Localization of light in a disordered medium. Nature. 390, 671-673 (1997).
- Dalichaouch, R., Armstrong, J. P., Schultz, S., Platzman, P. M., McCall, S. L. Microwave localization by two-dimensional random scattering. Nature. 354, 53-55 (1991).
- Lagendijk, A. D., de Vries, P. Transverse localization of light. Phys. Rev. Lett. 62, 47 (1989).
- Schwartz, T., Bartal, G., Fishman, S., Segev, M. Transport and Anderson localization in disordered two dimensional photonic lattices. Nature. 446, 52-55 (2007).
- Szameit, A., Kartashov, Y. V., Zeil, P., Dreisow, F., Heinrich, M., Keil, R., Nolte, S., Tunnermann, A., Vysloukh, V. A., Torner, L. Wave localization at the boundary of disordered photonic lattices. Opt. Lett. 35, 1172-1174 (2010).
- Martin, L., Giuseppe, G. D., Perez-Leij, A. a., Keil, R., Dreisow, F., Heinrich, M., Nolte, S., Szameit, A., Abouraddy, A. F., Christodoulides, D. N., Saleh, B. E. A. Anderson localization in optical waveguide arrays with off-diagonal coupling disorder. Opt. Express. 19, 13636-13646 (2011).
- Lahini, Y., Avidan, A., Pozzi, F., Sorel, M., Morandotti, R., Christodoulides, D. N., Silberberg, Y. Anderson localization and nonlinearity in one-dimensional disordered photonic lattices. Phys. Rev. Lett. 100, 013906 (2008).
- Karbasi, S., Mirr, C. R., Yarandi, P. G., Frazier, R. J., Koch, K. W., Mafi, A. Observation of transverse Anderson localization in an optical fiber. Opt. Lett. 37, 2304-2306 (2012).
- Karbasi, S., Mirr, C. R., Frazier, R. J., Yarandi, P. G., Koch, K. W., Mafi, A. Detailed investigation of the impact of the fiber design parameters on the transverse Anderson localization of light in disordered optical fibers. Opt. Express. 20, 18692-18706 (2012).
- Karbasi, S., Koch, K. W., Mafi, A. Multiple-beam propagation in an Anderson localized optical fiber. Opt. Express. 21, (2013).
- Abdi, O., Wong, K. C., Hassan, T., Peters, K. J., Kowalsky, M. J. Cleaving of solid single mode polymer optical fiber for strain sensor applications. Opt. Commun. 282, 856-861 (2009).
- Karbasi, S., Koch, K. W., Mafi, A. A modal perspective on the transverse Anderson localization of light in disordered optical lattices. arXiv. 1301.2385v1, (2013).
- Karbasi, S., Hawkins, T., Ballato, J., Koch, K. W., Mafi, A. Transverse Anderson localization in a disordered glass optical fiber. Opt. Mater. Express. 2, 1496-1503 (2012).
