微/纳米塑料光纤的制备 彭伟华彭伟华 导师：张国权导师：张国权 2120130175 2013.12.3目录1 1 研究背景研究背景2 2 MNFs特性特性3 3 制备方法制备方法4 4 应用展望应用展望1 研究背景微纳光纤技术的发展微纳光纤技术的发展光纤的广泛应用光纤的广泛应用光纤应用光通信光通信非线性光学非线性光学传感传感功率传输功率传输天文研究天文研究安全监测安全监测研究背景光波导的历史光波导的历史19世纪，D. Colladon and J. Tyndall 观察到光在水与空气的分界面上做全反射,从而导致光随水流而弯曲的现象。1880年W.Wheeling发明了光导管。1887年,英国物理学家C. V. Boys 最早从熔融的矿物质中拉制出很细的玻璃光纤，直径小于1m，被誉为 “最细的玻璃丝”，现在的微纳米光纤1959年Narinder S.Kapany最早将这种玻璃丝用于光的传导 。 1960年T. Maiman发明了第一台激光器。 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。 光波导的历史光波导的历史2 MNFs特性微微纳纳米光米光纤纤(Micro-/ Nano fibers - MNFs) 标准玻璃光纤标准玻璃光纤 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特性塑料光纤塑料光纤(Plastic Optical Fiber - POF)的优缺点的优缺点优点：l抗电磁干扰l制造成本低l耦合效率高l柔韧性好l对应力很敏感， 并且热光系数为负l与有机物有着极好的相容性POF缺点：缺点：l传输损耗大l耐热性差，一般范围是-4080l带宽小l缺乏行业标准，供应商较少3 制备方法MNFs在制备方面的问题在制备方面的问题化学生长法化学生长法刻蚀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 制备方法制备方法 通通过过高温高温拉拉锥锥法制法制备备的微的微纳纳米光米光纤纤表面表面质质量高、操作量高、操作简单简单、均匀、均匀性好、性好、传输损传输损耗低耗低，有效地解决了上述两种方法的问题。，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。如下图所示所示,这这种技种技术术可以可以应应用于玻璃和塑料等多种材料用于玻璃和塑料等多种材料,只要只要这这种材料具有适合拉种材料具有适合拉锥锥的粘度即可的粘度即可。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 最突出的特性就是最突出的特性就是对传输对传输光束光束缚缚的减弱的减弱,从而增从而增强强了其周了其周围围倏逝倏逝波的波的强强度度,使其使其对对外界外界(如折射率和温度等如折射率和温度等)极其敏感极其敏感,非常有利于制成高非常有利于制成高灵敏度的光灵敏度的光纤传纤传感功能器件。感功能器件。 MNFs 可以直接用于传感(图 (a)-(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 DeCusatis 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 OpticsM. 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!