CC BY
56
УДК 621.38,621.372
Б.В. Поллер, С.Г. Орлов, Д.Е. Трушенко, А.В. Бритвин, Д.В. Алексеев ИЛФ СО РАН, ЗАО «СКБ», Новосибирск
О СВОЙСТВАХ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛАНАРНЫХ И ВОЛОКОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ С МИКРОЧАСТИЦАМИ И ПЕРЕТЯЖКАМИ
B.V. Poller, S. Orlov, D.E. Trushenko, A.V. Britvin, D.V. Alexeev
ABOUT PROPERTIES OF POLYMERIC PLANAR AND FIBER OPTICAL WAVEGUIDES CONTAINING MICROPARTICLES AND BOTTLENECKS
There are some properties of planar and fiber polymers doped by microparticles are described. Methods of fabrication and properties of polymer waists are presented.
Для сенсорных систем и систем связи активно развивается использование волноводов с переменным сечением и пленок из полимеров с добавками, как пассивных элементов выполняющих прием, концентрацию, преобразование и канализацию излучения. Такие элементы объединяет простота изготовления и малые экономические затраты [1, 2, 3, 4].
Для производства «перетяжек» мы использовали волоконные световоды промышленного производства с диаметрами 0,5 мм, 1 мм с люминофором и без такового и изготовленные в ЗАО «СКБ» однокомпонентные планарные и круглые волноводы.
Волноводы круглого сечения вытягивались из раствора полиметилметакрилата (ПММА) в комбинации с люминофором родамин 6ж и металлическими микрочастицами. Исследованные волноводы имеют диаметры от 8 до 14 мкм и от 168 до 500 мкм при длинах от 15 до 40 см. Диаметр полученных волноводов имеет зависимость от скорости вытяжки и соотношения растворителя к растворенному веществу.
При вытягивании волноводов из раствора ПММА смешанного с металлическими частицами размерами от нескольких десятков микрон была обнаружена селекция частиц. В полученном волокне диаметром 10 мкм находились частицы металла с размерами 1-3 мкм со средним распределением 10 шт на 1 мм длины. Малая концентрация частиц позволяет изготовить перетяжки в «фокусе» которых будут располагаться одинарные микрообъекты.
Было изучено движение микрочастиц в вязком акрилате.
В кювету, наполненную акрилатом толщиной 2 мм, на поверхность полимера насыпался тонкий слой частиц алюминия. Средний размер частиц составил 10 мкм. Далее засекалось время, за которое дна кюветы достигнет первая частица. Измеренное минимальное время осаждения частиц составляет 215 сек. Через 320 секунд после начала процесс осаждения частиц значительно замедлился. При этом часть частиц осталась на поверхности. Измерение размеров осевших частиц и размеров частиц, оставшихся на поверхности показало, что осевшие частицы имеют размеры менее 2 мкм. Траектория частиц имеет случайный характер, и не является прямолинейной.
Повторные измерения размеров осевших частиц через 12 часов показали, что среди осевших частиц присутствуют частицы размерами до 3 мкм. В толще полимера присутствуют частицы, не достигшие дна кюветы.
Также изготавливались планарные волноводы на основе пленки из ПММА, поливинилового спирта, акриловой смолы (Акрилат-13). Для получения люминесцентных планарных волноводов применялись люминофоры РОРОР и Родамин 6g. Пленки из ПММА изготавливались из раствора полимера в дихлорэтане или ацетоне.
Применялся и другой метод, заключающийся в растворении в дихлорэтане небольшого количества ПММА (в соотношении 10:1). Этот раствор смешивался с водой и за счет разной плотности полимер собирался на поверхности «зеркала» воды. Сцепление молекул ПММА с молекулами воды и поверхностное натяжение заставляет равномерно распределяться каплю по поверхности. Полученная пленка имеет толщину в пределах 8 - 14 мкм.
Пленки из ПВС изготавливались высушиванием водного раствора полимера при комнатной температуре. Раствор ПВС получали растворением полимера в дистиллированной воде на водной бане.
Пленки из акриловой смолы изготавливались фотополимеризацией смолы под действием ультрафиолетового света. Для полимеризации необходимо исключить доступ воздуха к полимеру. Для этого смолу помещали между двух стекол или отвердевали в вакуумной камере. Как показали эксперименты, наилучшие образцы из акриловой смолы получались отверждением между двух стекол с предварительной дегазацией смолы. Образцы, изготовленные таким образом, имеют наименьшие потери на рассеяние и отражения излучения. Дегазация проводилась для исключения растворенного в смоле кислорода и снижения влияния кислородного тушения люминесценции.
Было замечено вымывание из окрашенных образцов акриловой смолы люминофора при применении иммерсионных жидкостей. Это говорит о том, что не происходит химического сцепления между красителем и матрицей. Молекулы люминофора находятся между молекулами матрицы и могут быть легко удалены из нее.
Однокомпонентные волноводы с круглым сечением и волоконные световоды растягивались при нагреве в 120 - 150°С. Перетяжки волоконных световодов имеют характерные размеры: длина 5мм, диаметр порядка 10 -14 мкм. Перетяжки имеют большую конусность, что увеличивает выход излучения через боковую поверхность. В области минимального размера перетяжки наблюдается отсутствие световых потерь.
Из планарного волновода, растяжением полоски ПММА толщиной 0,6 мм и шириной 1,5 мм при температуре t = 120 - 150 °С нами изготавливалась перетяжка. Она имела переменное сечение, переходящее от прямоугольного к круглому, что объясняется формированием формы перетяжки под действием сил поверхностного натяжения. Полученный конусный волновод имеет длину сужающейся части 11 мм и длину
постоянного сечения 3 мм при диаметре 5 мкм. Скорость изменения формы волновода тем выше, чем больше разница между стороной планарного волновода и диаметром перетяжки.
Для получения плавно меняющихся волноводов капля растворенного ПММА в дихлорэтане скатывалась под действием сил гравитации по вертикальной поверхности фольги из меди. Размеры представлены на рис. 1.
Рис. 1. Планарный волновод
Проведенные опыты по получению перетяжек показали что образцы, полученные из волокон и пленок с размерами сечения больше 100 мкм, обладают повышенной хрупкостью, тяжелее при изготовлении, так как силы поверхностного натяжения оказывают большое влияние на формирование и скорость перетяжки.
Полученные перетяжки проверялись на светопропускание и восприимчивость к акустическим полям. Перетяжки с диаметрами около 10 мкм с добавлением металлической частиц проявляют свои резонансные свойства при частоте 3 кГц. Наблюдение производилось по ультрафиолетовой тени конуса. Также этот факт подтверждался другим опытом, где происходило изменение ширины интерференционных полос на данной частоте. Светопропускание перетяжек «чистых» волоконных световодов с диаметром 0,75 мм представлено на рис. 2.
0,16
0,14
0,12
0,1
0,08
о.
0,06
0,04
0,02
0 -I----1-----1----1-----1-----1----1-----1-----1----1-----1-----1----
0,00125 0,0025 0,005 0,075 0,15 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,75 0,75
d, мм
Рис. 2. Зависимость выходной мощности от диаметра перетяжки
Основное свойство перетяжек это концентрация излучения
распространяющегося по волноводу радиусом а. Так как конусность
волновода р вносит изменение в траекторию движения луча, то через число отражений N возможно высвечивание части лазерного излучения во
внешнею среду. Это происходит при условии, если длина конической части больше L [1].
где ф - угол ввода излучения.
Концентрация энергии при помощи перетяжки позволяет получить высокую плотность энергии в локальной области.
Прорыв в области генерации фемтосекундных импульсов позволяет с помощью перетяжек стеклянных волноводов получить и исследовать такой нелинейный эффект как генерация спектрального суперконтинуума основного на действии фазовой самомодуляции, образовании ударной волны, рамановского рассеяния. В работе [3] показано уширение спектра мод более чем на октаву под действием фемтосекундных импульсов в микро структурированных волокнах и волокнах с перетяжкой на основе кварцевого стекла. Также в волокнах с перетяжкой наблюдается эффект преобразования импульса накачки в отдельные солитонные компоненты [4].
Получение различных эффектов возможно и на полимерных перетяжках. За счет молекулярной дисперсии и анизотропной структуры влияющей на поляризацию возможна перекачка энергии от одной длины волны к другой, что выльется в изменение спектра излучения выходного сигнала. Ограничением является только тот факт, что деградация полимера начинается при меньших плотностях энергии, чем у кварцевого стекла.
с
a
sin зсов Р
L =
Увеличение области применения полимерных перетяжек возможно за счет введения в них дополнительных микро- и нанодобавок. В частности применение люминофоров, микрозеркал, жидких кристаллов, создание проводящих структур.
Разнообразие полимеров и возможность формировать различную внутреннюю структуру [2] и форму, дает огромный потенциал для применения пленок, фоконов и других элементов на их основе как приемных, передающих и генерирующих оптических устройств. Вероятно использование не только в УФ, видимом и ИК диапазоне, но и в малоизученном терагерцовом диапазоне (ТГц). Одним из перспективных материалов для ТГц является полиэтилен имеющий до 80% пропускания в области до 1000 мкм (рис. 3).
Для увеличения чувствительности сенсорных устройств на основе перетяжек важно уменьшение минимального диаметра. Достижимы размеры перетяжек в сотни нанометров, что соответствует диаметрам десятков молекул. Такие структуры могут иметь высокую чувствительность в области резонанса. Поглощая свет, молекула полимера изменит амплитуду колебаний. Синхронное колебательное движение молекул, возможно, использовать для создания сенсора или микродвигателя.
№
т--------------------------------------------------------------
гг г* гв гв зо зг з* зз зз
Длина дояны, м*
Рис. 3. Спектр пропускания полиэтилена БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Эггинс, Б. Химические и биологические сенсоры / Б. Эггинс. - М.: Техносфера, 2005. -
336 с.
2. Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам: сб. науч. статей /под ред. П.П. Мальцева. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с.
3. Орлов, С.Г. Обзор некоторых методов синтеза оптических волноводов с использованием нанотехнологий для информационных, сенсорных и вычислительных систем / С.Г. Орлов, А.Б. Поллер, Д.Е. Трушенко // Сб. матер. III Междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2007». - Новосибирск, 2007. - Т. 4., ч. 1. - С. 199-200.
4. О характеристиках преобразователей солнечного света с полимерными волноводами / Б.В. Поллер, В.К. Попков, А.Б. Поллер, А.В. Бритвин, Ю.Д. Коломников, Д.Е. Трушенко, С.Г. Орлов // Сб. матер. III Междунар. науч. конгр. «ГЕ0-Сибирь-2007». - Новосибирск, 2007. - Т. 4., ч. 1. - С. 151-154.
5. Гуляев, Ю.В. Чувствительность датчиков на основе волоконных световодов конического сечения / Ю.В. Гуляев, В.Т. Потапов, А.А. Соколовский, Н.Л. Чхартишвили // Радио. -1987. - № 2.
6. Корель, И.И. Исследование спектральных и шумовых характеристик последовательностей ультракоротких импульсов в нелинейно-оптических средах: автореф. дис. канд. физ.-мат. наук / Корель И.И. - Новосибирск, 2006.
7. Кукарин, С.В. Генерация суперконтинуума в биконических микросветоводах при накачке фемтосекундными импульсами: автореф. дис. канд. физ.-мат. наук / Кукарин С.В. -Новосибирск, 2006.
8. Геллер, Б.Э. Практическое руководство по фотохимии волокнообразующих полимеров / Б.Э. Геллер. - М.: Химия, 1996. - 432 с.
© Б.В. Поллер, С.Г. Орлов, Д.Е. Трушенко, А.В. Бритвин, Д.В. Алексеев, 2008
