拉伸法制備微納光纖的設(shè)計與研究

陳思雨,陳宗強,孔勇發(fā)

(南開大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院,天津 300071)

隨著光通信和光傳感技術(shù)的發(fā)展,光纖波導(dǎo)得到了廣泛關(guān)注. 由于光學(xué)器件的尺寸不斷減小,研究者需要在更小的尺度操縱光,這也對光纖直徑提出了更高的要求,因此制備和研究微納尺度的光纖成為研究者關(guān)注的問題. 與普通光纖相比,微納光纖具有傳輸損耗小、倏逝波強、色散性好等特點[1],因此微納光纖被廣泛應(yīng)用于調(diào)制器[2]、激光器[3]、傳感器[4]、耦合器[5]、冷原子物理等領(lǐng)域.

微納光纖的制備方法主要包括溶液提拉法、靜電紡絲法、飛秒激光直寫法、化學(xué)腐蝕法、光纖拉錐法等[6]. 與其他方法相比,拉錐法制備出的光纖具有直徑均勻度高、光傳輸時損耗低等優(yōu)點. 拉錐法最早可以追溯到19世紀(jì),Boys等人[7]從熔融玻璃中拉伸出玻璃細(xì)線;1992年,Birks等人[8]給出了在不同長度的熱源中拉伸光纖所形成的光纖錐形模型;2003年,Tong等人[9]使用兩步拉伸法制備的微納光纖直徑達(dá)50 nm. 由于手持拉伸光纖的穩(wěn)定性差、重復(fù)率低,為制備直徑均勻度高、損耗低的光纖,研究者開始使用火焰加熱機械拉伸法制備微納光纖. 2008年,Zhang等人[10]利用火焰加熱電機單側(cè)拉伸裝置,在1 mm/s的速度下拉伸10 cm得到直徑為200 nm的微納光纖;2014年,Ward等人[11]總結(jié)了電機拉伸的3種典型裝置的本質(zhì)都是通過分別移動光纖夾持器和加熱裝置完成“火焰刷”和光纖拉伸的操作;2020年,Kang等人[12]通過引入直徑反饋控制技術(shù),研究了微納光纖直徑的高精度制備方法.

本文通過步進電機對拉伸法制備光纖的裝置進行改進,實現(xiàn)了拉錐光纖的自動化,并觀察電機單側(cè)拉伸后光纖的錐區(qū)形貌,進行重復(fù)實驗,分別探究光纖直徑與火焰高度、拉伸速度、拉伸距離的關(guān)系,并給出相應(yīng)的理論解釋.

1 火焰加熱電機拉伸法的實驗裝置

為解決手持拉伸過程中拉力及拉伸速度不可控、光纖直徑均勻度不高等問題,提高光纖制備的可重復(fù)性以及拉伸過程的力學(xué)穩(wěn)定性,引入步進電機和控制器,搭建了火焰加熱電機單側(cè)拉伸裝置,實現(xiàn)光纖拉錐的自動化.

實驗裝置如圖1所示,主要包括光纖夾持器(2個)、升降平臺(2個)、酒精燈高度調(diào)整臺、電動位移臺(型號:GCD-203100M)、酒精燈、光纖、電腦、控制器(型號:GCD-040201M). 為保持裝置的穩(wěn)定性,在光學(xué)面包板上安裝升降平臺,在升降平臺上安裝光纖夾持器. 圖1(a)左端的光纖夾持器固定,右端的光纖夾持器安裝在電動位移臺上,通過一維電源控制器可控制步進電機沿著位移臺穩(wěn)定地移動. 左右升降臺的中間是酒精燈及酒精燈高度調(diào)整臺. 通過搭建的實驗裝置,可對光纖拉錐單側(cè)拉伸,實現(xiàn)光纖拉錐的自動化.

(a)示意圖

2 火焰加熱電機單側(cè)拉伸法的實驗探究

2.1 觀察單側(cè)拉伸形成的光纖錐區(qū)形狀

采用火焰加熱固定單側(cè)拉伸法制備微納光纖,在單側(cè)拉伸的過程中,光纖一側(cè)被固定,另一側(cè)隨電機運動而被緩慢拉伸,這導(dǎo)致微納光纖兩錐區(qū)的形貌不同,通過顯微鏡觀察形貌如圖2所示. 可以看出,在靠近光纖夾持器運動的一端光纖形貌變化較為平緩,此錐區(qū)為緩變過渡區(qū);在靠近光纖夾持器靜止的一端光纖形貌變化較為陡峭,此錐區(qū)為陡變過渡區(qū). 除去過渡區(qū)外,穩(wěn)定區(qū)光纖的直徑比較均勻.

圖2 光纖拉伸的形貌示意圖與顯微鏡觀測圖

2.2 探究拉伸長度與光纖直徑的關(guān)系

保持酒精燈底座的高度為8.10 cm,電機拉伸速度為1.47 mm/s,改變拉伸距離x,光學(xué)顯微鏡下觀察制備光纖的直徑d如表1所示. 酒精底座的高度由直尺測量,光纖直徑由顯微鏡的分辨度刻度尺測量.

表1 不同拉伸距離下制備光纖的直徑

下面將理論分析拉錐法制備微納光纖的錐區(qū)形狀.

在單側(cè)拉伸的過程中,靜止一側(cè)的錐區(qū)變化迅速而陡峭,其體積相較于光纖整體是小量,可忽略. 光纖拉伸前如圖3(a)所示,假設(shè)火焰的加熱區(qū)域為PQ,長度為L0,光纖的初始半徑為r0,光纖拉伸后如圖3(b)所示.

(a)拉伸前

令拉伸長度為dx,中間加熱區(qū)域的光纖半徑減小為r+dr.在任意拉伸前與拉伸后,雖然光纖形態(tài)發(fā)生變化,但滿足體積守恒,因此有

(1)

其中,L為任意時刻拉伸光纖前光纖被火焰加熱區(qū)域的長度.忽略二次以上的高階小量得到:

(2)

對式(2)兩端積分得

(3)

當(dāng)酒精燈固定不動時,火焰加熱區(qū)域長度為L0,式(3)可以簡化為

(4)

為方便擬合,將半徑替換成直徑,式(4)變?yōu)?/p>

(5)

對表1數(shù)據(jù)進行擬合,得到光纖拉伸長度與光纖直徑的關(guān)系,擬合函數(shù)(已經(jīng)修正由于靜止一側(cè)錐區(qū)小體積對公式帶來的誤差)為

(6)

光纖拉伸長度x與光纖直徑d的關(guān)系,如圖4所示.使用式(6)根據(jù)拉伸距離可以預(yù)測單側(cè)拉伸后的光纖直徑.

圖4 光纖拉伸長度與光纖直徑的關(guān)系

2.3 探究拉伸速度對微納光纖直徑的影響

保持酒精燈底座的高度為8.10 cm,拉伸距離為10.50 cm,改變電機的拉伸速度v,利用光學(xué)顯微鏡測量制備的光纖直徑d,如表2所示.拉伸速度對微納光纖直徑的影響如圖5所示.從圖5可以看出,隨著拉伸速度的增大,光纖直徑呈現(xiàn)先減小、后增大的振蕩趨勢. 當(dāng)拉伸速度分別為1.47 mm/s和2.95 mm/s時,光纖直徑分別為1.75 μm和2.00 μm,光纖直徑處于曲線的2個極小值位置. 這是由于拉伸速度的不連續(xù)與火焰加熱光纖融化速度的不穩(wěn)定性造成的.

表2 不同拉伸速度下制備光纖的直徑

圖5 拉伸速度對微納光纖直徑的影響

2.4 不同拉伸速度下光纖錐區(qū)的形狀測定

通過實驗觀察到光纖直徑隨著拉伸速度有一定的變化,根據(jù)相同拉伸距離下的體積守恒,推測不同拉伸速度下的光纖直徑不同是由錐區(qū)形狀不同所造成的.

對拉伸速度分別為2.13 mm/s(樣品編號為ZDC06)和2.34 mm/s(樣品編號為ZDC07)的光纖樣品進行錐區(qū)形狀測量,數(shù)據(jù)如表3～4所示(以光纖不動端為長度的原點),不同拉伸速度下的光纖錐區(qū)形狀的變化如圖6所示. 拉伸速度為2.13 mm/s下的光纖最細(xì)處直徑為3.75 μm,拉伸速度為2.34 mm/s下的光纖最細(xì)處直徑為2.40 μm.

表3 電機拉伸速度為2.13 mm/s時的錐區(qū)形貌數(shù)據(jù)

表4 電機拉伸速度為2.34 mm/s時的錐區(qū)形貌數(shù)據(jù)

圖6 不同拉伸速度下的光纖錐區(qū)形狀的變化

從圖6可以看出,不同拉伸速度下光纖直徑有差異,原因是由于在不同拉伸速度下,光纖的熔融速度與錐區(qū)形狀不同. 在光纖拉伸的穩(wěn)定區(qū),制備的微納光纖的直徑比較穩(wěn)定.

2.5 探究火焰高度對微納光纖直徑的影響

保持電機的拉伸速度為1.30 mm/s,調(diào)整酒精燈底座的高度,電機單向拉伸10.50 cm,光學(xué)顯微鏡下測量光纖樣品的直徑如表5所示. 不同酒精燈高度的光纖加熱位置如圖7所示.

表5 拉伸速度為1.30 mm/s時不同火焰高度下微納光纖的直徑

(a)酒精燈底座高度為7.50 cm

當(dāng)酒精燈底座高度為8.30 cm時,光纖處于酒精燈的內(nèi)焰處. 如果酒精燈底座再升高,在實驗過程中會因為加熱溫度不夠高而導(dǎo)致光纖不能完全熔融,當(dāng)電機拉伸時光纖會發(fā)生斷裂. 當(dāng)酒精燈底座高度為7.50 cm時,光纖處于酒精燈外焰的最頂端,雖然此時的加熱溫度高,但火焰的輕微擺動就會造成頂部受熱不均. 根據(jù)實驗可以看出,對于不同的拉伸速度,當(dāng)酒精燈底座高度為7.90 cm時,光纖處于酒精燈內(nèi)外火焰交界處,光纖直徑最小,此時火焰的溫度可以使光纖熔融,且在中間區(qū)域火焰較為穩(wěn)定,即使火焰有輕微擺動也不會對加熱區(qū)域的溫度有太大影響.

2.6 探究火焰加熱電機拉伸實驗的可重復(fù)性

設(shè)定電機拉伸速度為2.95 mm/s,酒精燈底座高度為7.90 cm,單向拉伸10.50 cm,重復(fù)實驗5次,在此過程中保持火焰高度不變且氣流穩(wěn)定,在光學(xué)顯微鏡下測量光纖樣品的直徑如表6所示. 5次制備的光纖直徑平均值為2.70 μm,光纖直徑的浮動范圍為±550 nm. 此外,除ZDW06-1樣品光纖的直徑較大外,其他4組樣品光纖的直徑均在較小范圍內(nèi)浮動,這可能是因為剛點燃的酒精燈火焰溫度分布不夠穩(wěn)定.

表6 拉伸速度為2.95 mm/s時的可重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)

當(dāng)酒精燈火焰高度一致時,光纖位于火焰中的位置不變,此時光纖受到的加熱溫度處在穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi);同時,在空氣中風(fēng)速較小或無風(fēng)的條件下,酒精燈火焰不會左右擺動,較為穩(wěn)定,實驗的可重復(fù)性較好.由于電機平臺的移動速度和行程均受電腦控制,在每次光纖拉伸過程中均能保持一致,因此只需控制酒精燈的高度和火焰穩(wěn)定性便可在重復(fù)性實驗下光纖直徑變化較小.

3 結(jié)束語

引入電機和控制器改進微納光纖制備實驗裝置,實現(xiàn)了光纖拉錐的自動化.通過理論分析計算出單側(cè)拉伸下錐區(qū)的形狀函數(shù),在改進裝置上觀察并測定錐區(qū)形貌,探究了拉伸距離、拉伸速度、火焰高度對光纖直徑的影響.在未來可以引入直徑反饋系統(tǒng),在拉伸過程中實時觀察和控制光纖直徑,并對制備出的微納光纖耦合、傳輸、色散等性能進行表征.該實驗可以使本科生了解微納光纖的制備方法,培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力與實驗素養(yǎng).