拉伸法制备微纳光纤的设计与研究

陈思雨,陈宗强,孔勇发

(南开大学 物理科学学院,天津 300071)

随着光通信和光传感技术的发展,光纤波导得到了广泛关注. 由于光学器件的尺寸不断减小,研究者需要在更小的尺度操纵光,这也对光纤直径提出了更高的要求,因此制备和研究微纳尺度的光纤成为研究者关注的问题. 与普通光纤相比,微纳光纤具有传输损耗小、倏逝波强、色散性好等特点[1],因此微纳光纤被广泛应用于调制器[2]、激光器[3]、传感器[4]、耦合器[5]、冷原子物理等领域.

微纳光纤的制备方法主要包括溶液提拉法、静电纺丝法、飞秒激光直写法、化学腐蚀法、光纤拉锥法等[6]. 与其他方法相比,拉锥法制备出的光纤具有直径均匀度高、光传输时损耗低等优点. 拉锥法最早可以追溯到19世纪,Boys等人[7]从熔融玻璃中拉伸出玻璃细线;1992年,Birks等人[8]给出了在不同长度的热源中拉伸光纤所形成的光纤锥形模型;2003年,Tong等人[9]使用两步拉伸法制备的微纳光纤直径达50 nm. 由于手持拉伸光纤的稳定性差、重复率低,为制备直径均匀度高、损耗低的光纤,研究者开始使用火焰加热机械拉伸法制备微纳光纤. 2008年,Zhang等人[10]利用火焰加热电机单侧拉伸装置,在1 mm/s的速度下拉伸10 cm得到直径为200 nm的微纳光纤;2014年,Ward等人[11]总结了电机拉伸的3种典型装置的本质都是通过分别移动光纤夹持器和加热装置完成“火焰刷”和光纤拉伸的操作;2020年,Kang等人[12]通过引入直径反馈控制技术,研究了微纳光纤直径的高精度制备方法.

本文通过步进电机对拉伸法制备光纤的装置进行改进,实现了拉锥光纤的自动化,并观察电机单侧拉伸后光纤的锥区形貌,进行重复实验,分别探究光纤直径与火焰高度、拉伸速度、拉伸距离的关系,并给出相应的理论解释.

1 火焰加热电机拉伸法的实验装置

为解决手持拉伸过程中拉力及拉伸速度不可控、光纤直径均匀度不高等问题,提高光纤制备的可重复性以及拉伸过程的力学稳定性,引入步进电机和控制器,搭建了火焰加热电机单侧拉伸装置,实现光纤拉锥的自动化.

实验装置如图1所示,主要包括光纤夹持器(2个)、升降平台(2个)、酒精灯高度调整台、电动位移台(型号:GCD-203100M)、酒精灯、光纤、电脑、控制器(型号:GCD-040201M). 为保持装置的稳定性,在光学面包板上安装升降平台,在升降平台上安装光纤夹持器. 图1(a)左端的光纤夹持器固定,右端的光纤夹持器安装在电动位移台上,通过一维电源控制器可控制步进电机沿着位移台稳定地移动. 左右升降台的中间是酒精灯及酒精灯高度调整台. 通过搭建的实验装置,可对光纤拉锥单侧拉伸,实现光纤拉锥的自动化.

(a)示意图

2 火焰加热电机单侧拉伸法的实验探究

2.1 观察单侧拉伸形成的光纤锥区形状

采用火焰加热固定单侧拉伸法制备微纳光纤,在单侧拉伸的过程中,光纤一侧被固定,另一侧随电机运动而被缓慢拉伸,这导致微纳光纤两锥区的形貌不同,通过显微镜观察形貌如图2所示. 可以看出,在靠近光纤夹持器运动的一端光纤形貌变化较为平缓,此锥区为缓变过渡区;在靠近光纤夹持器静止的一端光纤形貌变化较为陡峭,此锥区为陡变过渡区. 除去过渡区外,稳定区光纤的直径比较均匀.

图2 光纤拉伸的形貌示意图与显微镜观测图

2.2 探究拉伸长度与光纤直径的关系

保持酒精灯底座的高度为8.10 cm,电机拉伸速度为1.47 mm/s,改变拉伸距离x,光学显微镜下观察制备光纤的直径d如表1所示. 酒精底座的高度由直尺测量,光纤直径由显微镜的分辨度刻度尺测量.

表1 不同拉伸距离下制备光纤的直径

下面将理论分析拉锥法制备微纳光纤的锥区形状.

在单侧拉伸的过程中,静止一侧的锥区变化迅速而陡峭,其体积相较于光纤整体是小量,可忽略. 光纤拉伸前如图3(a)所示,假设火焰的加热区域为PQ,长度为L0,光纤的初始半径为r0,光纤拉伸后如图3(b)所示.

(a)拉伸前

令拉伸长度为dx,中间加热区域的光纤半径减小为r+dr.在任意拉伸前与拉伸后,虽然光纤形态发生变化,但满足体积守恒,因此有

(1)

其中,L为任意时刻拉伸光纤前光纤被火焰加热区域的长度.忽略二次以上的高阶小量得到:

(2)

对式(2)两端积分得

(3)

当酒精灯固定不动时,火焰加热区域长度为L0,式(3)可以简化为

(4)

为方便拟合,将半径替换成直径,式(4)变为

(5)

对表1数据进行拟合,得到光纤拉伸长度与光纤直径的关系,拟合函数(已经修正由于静止一侧锥区小体积对公式带来的误差)为

(6)

光纤拉伸长度x与光纤直径d的关系,如图4所示.使用式(6)根据拉伸距离可以预测单侧拉伸后的光纤直径.

图4 光纤拉伸长度与光纤直径的关系

2.3 探究拉伸速度对微纳光纤直径的影响

保持酒精灯底座的高度为8.10 cm,拉伸距离为10.50 cm,改变电机的拉伸速度v,利用光学显微镜测量制备的光纤直径d,如表2所示.拉伸速度对微纳光纤直径的影响如图5所示.从图5可以看出,随着拉伸速度的增大,光纤直径呈现先减小、后增大的振荡趋势. 当拉伸速度分别为1.47 mm/s和2.95 mm/s时,光纤直径分别为1.75 μm和2.00 μm,光纤直径处于曲线的2个极小值位置. 这是由于拉伸速度的不连续与火焰加热光纤融化速度的不稳定性造成的.

表2 不同拉伸速度下制备光纤的直径

图5 拉伸速度对微纳光纤直径的影响

2.4 不同拉伸速度下光纤锥区的形状测定

通过实验观察到光纤直径随着拉伸速度有一定的变化,根据相同拉伸距离下的体积守恒,推测不同拉伸速度下的光纤直径不同是由锥区形状不同所造成的.

对拉伸速度分别为2.13 mm/s(样品编号为ZDC06)和2.34 mm/s(样品编号为ZDC07)的光纤样品进行锥区形状测量,数据如表3～4所示(以光纤不动端为长度的原点),不同拉伸速度下的光纤锥区形状的变化如图6所示. 拉伸速度为2.13 mm/s下的光纤最细处直径为3.75 μm,拉伸速度为2.34 mm/s下的光纤最细处直径为2.40 μm.

表3 电机拉伸速度为2.13 mm/s时的锥区形貌数据

表4 电机拉伸速度为2.34 mm/s时的锥区形貌数据

图6 不同拉伸速度下的光纤锥区形状的变化

从图6可以看出,不同拉伸速度下光纤直径有差异,原因是由于在不同拉伸速度下,光纤的熔融速度与锥区形状不同. 在光纤拉伸的稳定区,制备的微纳光纤的直径比较稳定.

2.5 探究火焰高度对微纳光纤直径的影响

保持电机的拉伸速度为1.30 mm/s,调整酒精灯底座的高度,电机单向拉伸10.50 cm,光学显微镜下测量光纤样品的直径如表5所示. 不同酒精灯高度的光纤加热位置如图7所示.

表5 拉伸速度为1.30 mm/s时不同火焰高度下微纳光纤的直径

(a)酒精灯底座高度为7.50 cm

当酒精灯底座高度为8.30 cm时,光纤处于酒精灯的内焰处. 如果酒精灯底座再升高,在实验过程中会因为加热温度不够高而导致光纤不能完全熔融,当电机拉伸时光纤会发生断裂. 当酒精灯底座高度为7.50 cm时,光纤处于酒精灯外焰的最顶端,虽然此时的加热温度高,但火焰的轻微摆动就会造成顶部受热不均. 根据实验可以看出,对于不同的拉伸速度,当酒精灯底座高度为7.90 cm时,光纤处于酒精灯内外火焰交界处,光纤直径最小,此时火焰的温度可以使光纤熔融,且在中间区域火焰较为稳定,即使火焰有轻微摆动也不会对加热区域的温度有太大影响.

2.6 探究火焰加热电机拉伸实验的可重复性

设定电机拉伸速度为2.95 mm/s,酒精灯底座高度为7.90 cm,单向拉伸10.50 cm,重复实验5次,在此过程中保持火焰高度不变且气流稳定,在光学显微镜下测量光纤样品的直径如表6所示. 5次制备的光纤直径平均值为2.70 μm,光纤直径的浮动范围为±550 nm. 此外,除ZDW06-1样品光纤的直径较大外,其他4组样品光纤的直径均在较小范围内浮动,这可能是因为刚点燃的酒精灯火焰温度分布不够稳定.

表6 拉伸速度为2.95 mm/s时的可重复性实验数据

当酒精灯火焰高度一致时,光纤位于火焰中的位置不变,此时光纤受到的加热温度处在稳定的区间内;同时,在空气中风速较小或无风的条件下,酒精灯火焰不会左右摆动,较为稳定,实验的可重复性较好.由于电机平台的移动速度和行程均受电脑控制,在每次光纤拉伸过程中均能保持一致,因此只需控制酒精灯的高度和火焰稳定性便可在重复性实验下光纤直径变化较小.

3 结束语

引入电机和控制器改进微纳光纤制备实验装置,实现了光纤拉锥的自动化.通过理论分析计算出单侧拉伸下锥区的形状函数,在改进装置上观察并测定锥区形貌,探究了拉伸距离、拉伸速度、火焰高度对光纤直径的影响.在未来可以引入直径反馈系统,在拉伸过程中实时观察和控制光纤直径,并对制备出的微纳光纤耦合、传输、色散等性能进行表征.该实验可以使本科生了解微纳光纤的制备方法,培养学生的实际操作能力与实验素养.