丙酮對碳納米管薄膜微納光纖傳輸光的能量分布影響

賈 蘭, 馮 宇, 吳 宇, 饒云江

(1.第三軍醫(yī)大學 生物影像工程系, 重慶 400038;2.電子科技大學 通信與信息工程學院, 四川 成都 611731)

丙酮對碳納米管薄膜微納光纖傳輸光的能量分布影響

賈 蘭1, 馮 宇1, 吳 宇2, 饒云江2

(1.第三軍醫(yī)大學 生物影像工程系, 重慶 400038;2.電子科技大學 通信與信息工程學院, 四川 成都 611731)

基于薄膜微納光纖中傳播光能量分布的理論,在實驗研究基礎上,進一步用模場分析儀觀察微納光纖在表面鍍有碳納米管薄膜包層后,與丙酮氣體接觸時,其傳輸光的能量分布規(guī)律和倏逝場的變化。實驗可知,在一定濃度的丙酮環(huán)境下,沒有碳納米管薄膜包層時,微納光纖中傳輸光能量呈對稱分布,當有碳納米管薄膜包層時,其能量分布不再對稱,并且能量分布的直徑寬度增加。

碳納米管; 微納光纖; 薄膜; 能量分布

引 言

隨著醫(yī)療、制藥、環(huán)境、防御以及食品等行業(yè)對快速、靈敏和現(xiàn)場監(jiān)測的持續(xù)需求,光纖傳感技術得到了飛速發(fā)展[1]。在過去幾十年中,具有體積小、靈敏度高、響應快、選擇性好的微型化光纖傳感器也取得了很大的發(fā)展[2]。本文把微納光纖作為沉積碳納米管的基底,研究組成氣體傳感器的光學特性。碳納米管作為一維納米材料,不僅重量輕,而且具有許多特異的電學、力學和化學性能[3]。利用單層膜層的轉移技術(Langmuir-Blodgett膜,簡稱LB膜)把碳納米管薄膜均勻包裹在微納光纖的外表面,使微納光纖具有碳納米管薄膜的包層,包層結構的改變會影響微納光纖中光的傳播特性[4]。本文在研究倏逝場理論基礎上,進一步利用模場分析儀觀察光纖傳感器在與丙酮氣體作用前后的能量寬度變化,從而探討碳納米管薄膜微納光纖表面倏逝場的傳感機理,為研究新型微納光學傳感器提供參考。

1 理論基礎

微納光纖是直徑接近或小于光波長的光纖,是以空氣為包層的光波導線結構[5]。對于直徑比光波長大許多的標準光纖,其包層的外表面倏逝場的強度幾乎為零,在其中傳導的光與外界的作用受到了限制,因此標準光纖對外界環(huán)境是不敏感的。而隨著微納光纖的出現(xiàn),使光既可以在這種微小的結構中傳播,又可以使可見光和近紅外波段具有靈活的傳感特性。由于微納光纖的直徑均勻且側壁光滑,這使它具有很大的倏逝波和高強度的表面場。大比例的倏逝波很容易受到外界包層折射率改變的影響,也加強了傳播光與外界之間的相互作用。微納光纖器件具有低損耗傳播和高機械強度的特點,解決了普通光纖所制作的光學器件尺寸很難縮小的問題,使其作為一種新型的微納光子器件在光通信、光傳感領域都有廣泛的應用[6-7]。微納光纖的光學約束、波導色散、表面粗糙引起的輻射損失以及彎曲損耗等都有大量的研究報導。實驗發(fā)現(xiàn),碳納米管薄膜微納光纖在氣體作用下,高階模能量受到擾動,并表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象,高階模的能量被吸收,傳播光強度減小。本文則進一步通過實驗研究倏逝場能量在光纖直徑中的寬度分布,進一步研究倏逝場和外界環(huán)境的具體作用機理。

2 能量分布觀察實驗

實驗前,先制備出碳納米管薄膜微納光纖。首先,利用酒精燈采用二步拉伸法拉制出直徑為5 μm的光纖,并確保光纖直徑均勻、表面光滑;其次,利用LB鍍膜技術把微光纖表面包裹10層碳納米管薄膜;最后,將制備的碳納米管薄膜微納光纖固定在氟化鎂基片上,并利用紅光源或光譜分析儀檢測是否有光輸出。搭建的實驗系統(tǒng)如圖1所示,光源采用1 550 nm的激光,將固定有碳納米管薄膜微納光纖的氟化鎂基片放入氣室中,并在輸出端用剪刀垂直迅速地剪斷離鍍膜區(qū)域1 cm左右的微光纖,保證光通過鍍膜部分,微納光纖的剪斷端從一小孔出來對準模場分析儀的聚焦透鏡,由電腦進行數(shù)據(jù)采集、存儲并通過模場分析配套的軟件得出實驗結果。

圖1 能量分布實驗系統(tǒng)Fig.1 The experimental system of the energy distribution

用拉制好的未鍍膜的微納光纖進行測試,得到未鍍膜微納光纖中的能量分布3D圖,如圖2所示。從圖中可以看出,普通微納光纖輸出的光能量呈高斯分布,沿A1和A2兩個互相垂直方向上呈對稱分布,而且沒有在哪個方向表現(xiàn)出優(yōu)勢。

圖2 未鍍膜微光纖的能量分布Fig.2 The distribution of microfiber with no film

為了觀察未鍍膜微納光纖在丙酮液體揮發(fā)過程中能量分布寬度的變化,必須使光強的測量范圍滿足模場分析儀的參數(shù)指標。經(jīng)過多次實驗,發(fā)現(xiàn)加入到氣室的丙酮體積為150 μL比較合適,當丙酮揮發(fā)完全氣室里的氣體濃度趨于穩(wěn)定時,記錄沿A1、A2兩個互相垂直方向能量寬度的改變。分別記錄總能量減少13.5%和50%時微納光纖中能量寬度的分布,得到未鍍膜的微納光纖實驗結果,如圖3所示。

圖3 未鍍膜微納光纖在丙酮環(huán)境下A1和A2方向能量寬度隨時間的分布Fig.3 The distribution in time of energy width in A1 and A2 directions of uncoated microfiber under acetone gas

由圖3可以看出,傳播光能量降低13.5%和50%時,其在微納光纖中的能量寬度呈弧形分布,這主要是由于丙酮在揮發(fā)過程中引起能量寬度一定程度的展寬,但隨著丙酮揮發(fā)完全,濃度穩(wěn)定后,寬度又開始恢復為初始值。同時可以觀察到沿A1和A2方向能量是對稱分布,沒有表現(xiàn)出某一方向上有強烈的優(yōu)勢。由此可知,光源的不穩(wěn)定性和隨機性對能量在光纖直徑中的寬度分布影響不大。

在相同的丙酮氣體環(huán)境下,對碳納米管薄膜微納光纖中傳播光的能量分布進行了實驗。圖4為碳納米管薄膜微納光纖在丙酮氣體環(huán)境下能量降低13.5%和50%后的分布,由圖可見,能量寬度都有一定程度的增加,這說明能量更多地分布到了高階模,倏逝場能量增強,微納光纖的束縛能力減弱。碳納米管在與丙酮作用過程中,使作為包層結構的碳納米管的折射率受到了調制,微納光纖的束縛能力發(fā)生了改變,導致總的光強減小,但能量在光纖中的寬度分布增加。同時,可以發(fā)現(xiàn)鍍膜之后,A1和A2方向的能量分布初始值不相同,能量分布不具有對稱性,不再服從高斯分布,而且A1和A2方向能量分布在氣體影響下的改變也不同步。

圖4 碳納米管薄膜微納光纖在丙酮環(huán)境下A1和A2方向能量寬度隨時間的分布Fig.4 The distribution in time of energy width in A1 and A2 direction of CNTs coated microfiber under acetone gas

3 結 論

利用模場分析儀觀察碳納米管薄膜微納光纖在與氣體作用時,傳輸光在光纖中的能量分布寬度的變化,進一步認識了碳納米管薄膜微納光纖與氣體的具體作用機理。實驗結果表明,在與丙酮的作用過程中,碳納米管薄膜微納光纖的傳輸光不再具有能量分布對稱性,總的光強能量減小,但是能量分布寬度增加,說明倏逝場能量增加,光纖的束縛能力在丙酮揮發(fā)過程中減弱。本實驗為研究新型氣體傳感器、薄膜傳感器以及更好的利用倏逝波能量提供了參考。

[1] 楊飛亞.基于LB膜的微納光纖氣體傳感器研究[D].成都:電子科技大學,2011.

[2] ZHANG A Q,WU Y,YAO B C,et al.Optimization study on graphene-coated microfiber Bragg grating structures for ammonia gas sensing[J].Photonic Sensors,2015,5(1):84-90.

[3] ZHANG L,LOU J Y,TONG L M.Micro/nanofiber optical sensors[J].Photonic Sensors,2011,1(1):31-42.

[4] 李宇航.基于倏逝場特性的微納光纖器件研究[D].浙江:浙江大學,2008.

[5] 賈蘭,廖新華,吳宇,等.不同折射率氣體包層環(huán)境對微光纖傳輸光強的影響[J].光學儀器,2015,37(3):230-232.

[6] JIA L,WU Y,YAO B C,et al.A sensitivity enhanced gas sensor based on carbon nanotubes around microfiber[C]∥Proceedings of SPIE 8351,Third Asia Pacific Optical Sensors Conference.Sydney,Australia:SPIE,2012.

[7] 賈蘭,吳宇,姚佰承,等,碳納米管薄膜微光纖氣體傳感器的模場分析[J].電子元件與材料,2015(2):17-19.

ImpactofacetonegasonthelightenergydistributioninthemicrofiberwithCNTsfilms

JIA Lan1, FENG Yu1, WU Yu2, RAO Yunjiang2

(1.School of the Bio-Imaging Engineering, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China; 2.School of Communication & Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Based on the theory and experiments of energy distribution in the cladding microfiber,this paper studies the change in the light energy distribution and evanescent field of the microfiber coated carbon nanotubes(CNTs) films when it is exposed to acetone gas.The results reveal that the uncoated fiber shows symmetrical energy distribution under certain gas environment,while in the same gas environment,for the microfiber coated CNTs films,there is an increase in its width of the output light energy,and its energy distribution is unsymmetrical.

carbon nanotubes(CNTs); microfiber; film; energy distribution

1005－5630（2017）05－0074－04

2017-05-18

賈 蘭(1986—),女,講師,主要從事微納光纖器件方面的研究。E-mail:jialanlxy981@126.com

馮 宇(1987—),男,講師,主要從事物理學方面的研究。E-mail:yfeng@ihep.ac.cn

O 646

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2017.05.013

(編輯:劉鐵英)