Światłowody kapilarne



Pobieranie 21,19 Mb.
Strona51/53
Data24.02.2019
Rozmiar21,19 Mb.
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   53

5.6.8 Podsumowanie

W światłowodzie kapilarnym prowadzącym falę optyczną jednomodową można transmitować efektywnie falę atomową deBroglie. W szczególności obiecujące są wyniki eksperymentów z atomami metali do potencjalnych zastosowań w przyszłości w odwrotnej litografii nanometrowej oraz atomów helu do potencjalnych zastosowań w rysowaniu o rozdzielczości nanometrowej litograficznej warstwy pasywacyjnej. Inna obiecująca grupa zastosowań prowadzenia koherentnej fali deBroglie w światłowodzie obejmuje interferometrię atomową o dużej bazie.

LITERATURA
[1] A.P.Kazantsev, G.J.Surdutovich, V.P.Yakovlev, Mechanical action of light on atoms, World Scientific Publ., Singapore, 1990

[2] M.A.Olshanii, Yu.B.Ovchinnikov, V.S.Letokhov, Laser guiding of atoms in a hollow optical fiber, Opt. Commun, 98, 77 (1993)

[3] S.Markensteiner, C.M.Savage, P.Zoller, S.L.Rolston, Coherent atomic waveguides from hollow optical fibers: quantized atomic motion, Phys.Rev.A. 1994 Sep.; 50 (3) 2680-2690.

[4] Haruhiko Ito, Keiji Sakaki, Takeshi Nakata, Wonho Jhe, Motoichi Ohtsu, Optical potential for atom guidance in a cylindrical-core hollow fiber, Optics Communications 115 (1995) 57-64

[5] D.J.Harris, C.M.Savage, Atomic gravitational cavities from hollow optical fibers, Phys.Rev.A. 1995 May; 51; (5): 3967-3971

[6] M.J.Renn, D.Montgomery, O.Vdovin, D.Z.Anderson, C.E.Wieman, E.A.Cornell, Laser-guided atoms in hollow-core optical fibers, Physical Review Letters, Vol. 75, No 18, 30 October 1995, pp.3253-3256

[7] M.J.Renn, E.A.Donley, E.A.Cornell, C.E.WIeman, D.Z.Anderson, Evanescent-wave guiding of atoms in hollow optical fibers, Phys.Rev. A R648 (1996).

[8] H.Ito, T.Nakata, K.Sakaki, M.Ohtsu, K.I.Lee, W.Jhe, Laser spectroscopy of atoms guided by evanescent waves in micron-sized hollow optical fibers, Phys.Rev.Lett., 76, 4500-4503 (1996)

[9] H.Ito, K.Sasaki, W.Jhe, M.Ohtsu, Evanescent-light induced atom-guidance using a hollow optical fiber wight light coupled sideways, Opt.Commun., 141, 43-47 (1997).

[10] H.S.Pilloff, Enhanced atom guiding in metal-coated, hollow-core optical fibers, Opt. Commun., 143, 25-29 (1997)

[11] Y.Song, D.Milam, W.T.Hill, Long, narrow all-light atom guide, Opt. Lett. 24, 1805-1807 (1999)

[12] S.H.Yoo, C.Won, J.A.Kim, K.Kim, U.Shim, K.Oh, U.C.Paek, W.Jhe, Diffracted near field of hollow optical fibre for a novel atomic funnel, J.Opt. B, 1, 364-370 (1999).

[13] D.Muller, E.A.Cornell, D.Z.Anderson, E.R.Abraham, Guiding laser-cooled atoms in hollow-core fibers, Phys.Rev. a 61, 033411 (2000)

[14] Y.I.Shin, K.Kim, J.A.Kim, H.R.Noh, W.Jhe, K.Oh, U.C.Paek, Diffraction-limited dark laser spot produced by a hollow optical fiber, Opt. Lett., 26, 119-121 (2001)

[15] R.G.Dall, M.D.Hoogerland, D.Tierney, K.G.H.Baldwin, S.J.Buckman, Single-mode hollow optical fibres for atom guiding, Appl. Phys. B 74, 11-18 (2002).

[16] R.G.Dall, M.D.Hoogerland, K.G.H.Baldwin, S.J.Buckham, Guiding of metastable helium atoms through hollow optical fibres, Internet Communications, Australian National University, Canberra, http://wwwrsphysse.anu.edu.au

[17] H.R.Noh, W.Jhe, Atom optics with hollow optical systems, Phys Reports 372, 269-317 (2002)

[18] Young-Il Shin, Myoungsun Heo, Jae-Wan Kim, Wooshik Shim, Heung-Ryoul Noh, Wonho Jhe, Diffraction-limited optical dipole trap with a hollow optical fiber, J.Opt.Soc.Am.B, Vol.20, No 5, May 2003 pp.937-941

[19] V.I.Balykin, K.Hakuta, Fam Le Kien, J.Q.Liang, M.Morinaga, Atom trapping and guiding with a subwavelength optical fiber, Physical Review A 70, 011401(R) (2004), pp.1-4; Rapid Communications

[20] M.Hautakorpi, A.Schevchenko, M.Kaivola, Spatially smooth evanescent-wave profiles in a multimode hollow opticl fiber for atom guiding, Opt. Commun. 237, 103-110 (2004).

[21] F.K.Fatemi, M.Bashkansky, S.Moore, Side illuminated hollow-core optical fiber for atom guiding, Optics Express, Vol. 13, No 13, 27 June 2005, pp.4890-4895.

[22] Robert Scholten, Atom Optics – Nanofocusing, School of Physics, Univ. of Melbourne, Web resources.



5.7 Podsumowanie – zastosowania światłowodów kapilarnych

Światłowody kapilarne stanowią, od stosunkowo niedawna, bardzo efektywne narzędzie do budowy złożonych mikrosystemów opto-elektro-mechanicznych MOEMS. Ich nowe spektakularne zastosowania w systemach MOEMS wykorzystują wieloletnie, szerokie doświadczenia z całym szeregiem klasycznych zastosowań kapilar w technice, takich jak: chromatografia gazowa i cieczowa, elektroforeza, reografia, wiskometria, spektroskopia optyczna i mechaniczna, refraktometria i polarymetria, itp.

Światłowody kapilarne o fotonicznym typie transmisji fali optycznej stanowią bardzo efektywny ośrodek transmisyjny do budowy laserów światłowodowych, szerokopasmowych źródeł światła, fotonicznych elementów nieliniowych, dyspersyjnych, ultraszybkich linii transmisji sygnałów optycznych, itp

Na podstawie analizy dostępnych danych technicznych produkowanych kapilar, danych technicznych urządzeń wykorzystujących kapilary oraz odpowiedzi na ankietę potencjalnych użytkowników SK opracowano tabele wymiarowe kapilar. Tabele te w pewien sposób determinują wskazania techniczne do dostarczanego przez producentów zakresu wymiarowego kapilar.



Tabela 1. Specyfikacje wymiarowe klasycznych kapilar szklanych używanych w zastosowaniach technicznych, biomedycznych i badawczych

Wymiary

Obszar zastosowań



Maksymalny zakres wymiarów [μm]

Typowy zakres wymiarów

Chemia analityczna i spektroskopia

wewnętrzne 1-2000

zewnętrzne 90-3500



wewnętrzne 2-700

zewnętrzne 90-850



Chromatografia gazowa

wewnętrzne 50-750

zewn. wymiar standaryzowany



wewnętrzne 180-530

zewn. wymiar standaryzowany



Elektroforeza kapilarna

wewnętrzne 2-150

zewnętrzne 150, 375



wewnętrzne 2-150

zewnętrzne 150, 375



Mikropipety, mikromanipulatory

wewnętrzny 1-30

zewnętrzny 50-150



wewnętrzny 3-15

zewnętrzny 150



Nanopitety, nanomanipulatory

wewnętrzny 200-1000 nm

zewnętrzny 1-3 μm

stożkowa końcówka do 200 nm


wewnętrzny 800 nm

zewnętrzny 1-3 μm

stożkowa końcówka do 800nm


Makropipety, makromanipulatory

wewnętrzny 300 μm-3 mm

zewnętrzny 500 μm-5 mm



wewnętrzny 300 μm-1,5 mm

zewnętrzny 1-2 mm



Mikrofluidyka klasyczna

nanofluidyka



wewnętrzny 0,3-3 mm

wewnętrzny 0,3-100 μm



wewnętrzny 0,5-1 mm

wewnętrzny 1-100 μm





Tabela 2. Przykładowe specyfikacje wymiarowe światłowodów kapilarnych w zależności od typu światłowodu

Wymiary [μm]
Typ światłowodu

Średnica

zewnętrzna

bez pokrycia


Średnica

Wewnętrzna

(otwór)


Obniżenie refrakcyjne

Bufor optyczny

zewnętrzny


Obniżenie refrakcyjne

wewnętrzne



Grubość

rdzenia


optycznego

Grubość płaszcza

optycznego



Światłowód

wielomodowy



125-150-

162,5-175



10-50

Istnieje

na ogół brak,

czasami kilka μm



0-50

50

Światłowód

jednomodowy



150

5

20

0-1

3

50

Światłowód DeBroglie

Wielomodowy (WM)

Jednomodowy (JM)

Wewn.subwymiarowy

Zewn. subwymiarowy

125 μm


125 μm

90-125 μm

200 nm

10-50 μm


1-3 μm

300 nm


brak

dowolne

brak

Raczej


podwyższenie refrakcyjne

otwór

min. 50

Bragga

Omniguide



125

JM 15

WM 50


brak

brak

otwór

20-70

Porowaty, fotoniczny

125-150

1-15

50

brak

otwór

Min. 50

Optyczna kapilara

MOEMS


500 nm-10 μm

200nm-5μm

brak

brak

otwór

Min 1μm

telekomunikacyjny

WM125-150

JM 125-150



50

1-5


Istnieje

brak


Istnieje

brak


Pierścień

pierścień



Min 50

Min 50


Dużej mocy 1 MIR

200-1500

100-1000

Na ogół brak

brak

otwór

Min 100

Dużej mocy 2 FIR

500-5000

500-3000

brak

poliolefin

otwór

Min 500



Tabela 3. Specyfikacje wymiarowe światłowodów kapilarnych w zależności od obszaru zastosowania, elementy światłowodowe wykonane

Wymiary [μm]

Obszar zastosowań



Optyczne

elementy

justujące


Sprzęgacze

mikromechaniczne

typu T


Układy

mikrobelek



Przeł. Mikro mech.

Czujnik chemiczny

Czujnik optyczny

Średnica

Wewnętrzna

(otwór)


125-127, 150-152

50

50, 100

125

200

200, 300

Średnica

Zewnętrzna

Bez pokrycia


150, 200

125

100, 125, 150

150, 200

300

300, 500



Tabela 4. Używane w zastosowaniach badawczych i technicznych aktywne długości kapilar i światłowodów kapilarnych. Do tych długości należy dodać złącza, w przypadku przepływowym z obu stron, co oznacza ok. 1 cm dodatkowej długości

Typ światło-wodu

lub rodzaj zastos.



Optyczne

elementy justujące



DeBroglie

Czujniki

amplitudowe



Czujniki

fazowe


Przełączniki

Mecha-niczne



MOEMS

Niskostratne o rdzeniu

Pierście-niowym



Długość kapilary

w [cm]


1-2 cm

1 m

Kilka cm,

Kilkanaście cm



Kilka mm

Kilka cm

Kilka cm

Do 20 m, wyjątkowo setki m

Typ światło-wodu

Rodzaj zastos.



Mikro-reaktor chemicz-ny

Czujnik chemiczny przepły-wowy

Refrak-tometr

przepły-wowy



Z otwartym strumieniem światła

Elementy mikrofluidyki z moni-torowaniem optycznym

Konwerter modów

Stożek kapilarny

Długość kapilary [cm]

Kilka mm, ze złączami kilka cm

Kilka cm

Kilkanaście cm

Kilkanaście cm

Kilkanaście cm

Kilka cm

1cm

Typ światło-wodu

Rodz zastos.



Rezo-nator

Fabry-Perot



Mikrokomora optyczna

Polączenie między mikro-komorami

Mikro-pojemnik na substancję aktywną optycznie

Czujnik polary-zacyjny

Czujnik mechan.lub termiczny

Kanał transm. dużej mocy

Długość kapilary [cm]

1 cm

Kilka mm

Kilka mm -1 cm

Kilka mm

1 mm

Kila mm

1 m- kilka m


5.7.1 Baza danych technologicznych i użytkowych SK i ich udostępnianie

W trakcie realizacji krajowych prac technologicznych nad SK wykonano w czasie kilkudziesięciu przeprowadzonych wyciągów testowych i „produkcyjnych” na skalę półtechniczną znacznie ponad 1000 różnych próbek światłowodów kapilarnych. Dokumentacja takiej ilości próbek w sposób ręczny jest dość trudna ze względu na to, że każda próbka ma średnio od 1 kB do kilkunastu kB tekstu danych związanych ze swoją historią technologiczną i pomiarową (zapis tekstowy i liczbowy) oraz nawet kilka MB danych obrazowych. Do zapisu takiej dokumentacji tworzy się zwykle dedykowaną bazę danych technologicznych i użytkowych.

Standaryzowany rekord w bazie danych obejmuje następujące główne parametry procesów i wytworzonych w tych procesach światłowodów (wybrano niektóre rekordy):


  • Dane ogólne: czas, miejsce, operator wprowadzający dane,

  • Dane tekstowo-liczbowe procesu: rodzaj pieca, gaz inercyjny -tak, nie; rodzaj przepływu gazu; temperatura i jej historia, długość strefy grzania, nadciśnienie – tak, nie, wielkość nadciśnienia, historia termiczna,

  • Dane preformy: rodzaje szkieł, rodzaj preformy-tygiel, preforma prętowa, hybrydowa, kształt menisku, technologia wykonania, wymiary, szybkość podawania i jej historia,

  • Dane światłowodu: szkło, rodzaj menisku, parametry geometryczne, mechaniczne, optyczne, pokrycie,

  • Historia światłowodu: opisowa, kondycjonowanie powierzchni wewnętrznej kapilary, co się z nim działo, gdzie są próbki, ilość próbek, partnerzy, zastosowanie,

  • Dane obrazowe preformy i włókna: fotografie preformy, światłowody, obrazy interferencyjne, itp.,

  • Dane aplikacyjne: opisowe, stanowiska pomiarowe, opis techniczny, publikacje, zastosowania badawcze i praktyczne, noty aplikacyjne własne i odniesienie do prac u partnerów, itp.

Zapytania do bazy danych sformułowano tak, aby można było dotrzeć łatwo do poszukiwanej preformy, próbki światłowodu lub procesu technologicznego. Baza danych może być dostępna w pewnej części publicznie, po zarejestrowaniu i zalogowaniu uprawnionego użytkownika na stronie internetowej poświęconej światłowodom kapilarnym http://www.ise.pw.edu.pl/~rrom/kapilary/. Rejestracja jest wymagana, aby nie tracić kontroli nad dostępem do danych badawczych o charakterze własnościowym.

Jeśli wytwarzany przez laboratorium technologiczne, niestandardowy element optoelektroniczny ma być zastosowany w dalszych badaniach aplikacyjnych to konieczne jest współdziałanie technologa i inżynierem systemowym. Takie wnioski z analizy aplikacyjnej wpływają zazwyczaj istotnie na dalszy tok realizacji prac technologicznych. Zwykle laboratorium technologiczne, szczególnie akademickie, ma kontakty z zespołami, które podejmują niektóre z wymienionych powyżej aplikacji, a także współdziałają w zakresie rozwoju technologii światłowodów kapilarnych. Rozwój dalszych kontaktów z przemysłem chemicznym i biomedycznym (aparatura), a także przemysłem ochrony środowiska wymaga zazwyczaj od laboratorium technologicznego wejścia na ścieżkę legalizacji produktu i otrzymania certyfikatu ISO. W środowisku uczelnianym pozostają zazwyczaj potencjalne zastosowania badawcze i testowe, zlokalizowane głównie na uczelniach i w JBR.

Na podstawie przeprowadzanych ankiet aplikacyjnych, skierowanych do krajowych laboratoriów optoelektroniki, zebrano dane dotyczące potencjalnego zapotrzebowania na światłowody kapilarne. Podstawowe wnioski z ankiet aplikacyjnych, które wpływają na dostosowanie do potrzeb i częściową zmianę koncepcji wytwarzania SK w laboratorium technologicznym były następujące:


  • Najistotniejszym parametrem kapilary optycznej jest jej średnica wewnętrzna, ponieważ determinuje ona w głównej mierze rodzaj zastosowania światłowodu kapilarnego i najsilniej określa jego właściwości optyczne. Zapotrzebowanie na zakres wymiarów wewnętrznych światłowodów kapilarnych określono na (50-200) μm.

  • Średnica zewnętrzna nie ma istotniejszego znaczenia, powinna być jednak w miarę możliwości znormalizowana wymiarowo tak, aby możliwe było opracowanie standardowych uchwytów, sprzęgaczy i innych elementów dopasowanych do tego standardu wymiarowego.

  • Nieistotnym parametrem jest długość dostarczanych próbek światłowodów kapilarnych. Proponowana długość próbek 5 m okazuje się mało przydatna. Na ogół, potencjalne zastosowania dotyczą próbek o długości od 1 cm do 20 cm. Zgłaszane jest zapotrzebowanie na próbki o długości od kilkudziesięciu cm do 1m. Z tego powodu laboratoria technologiczne zwykle rezygnują z dostarczania próbek w znormalizowanych odcinkach o długości 5 m na rzecz odcinków o długości 1,5 m oraz 30 cm. Na specjalne życzenie użytkowników SK możliwe jest dostarczenie próbek światłowodów kapilarnych instrumentacyjnych o długości 5 m i większych.

Odrębny rodzaj SK stanowią włókna o niecentrycznym pozycjonowaniu otworu w kapilarze optycznej. Praktyczne zastosowania tego typu włókien optycznych mogą być związane z ewentualnym dostępem do wnętrza kapilary poprzez zewnętrzne optyczne pole zanikające lub inny rodzaj oddziaływania zewnętrznego. Niecentryczne pozycjonowanie otworu kapilarnego wymaga specjalnych zabiegów technologicznych ze względu na naturalną skłonność strugi szkła do centrowania struktur wewnętrznych. Takie włókna są wytwarzane w celach testowych przez laboratoria technologiczne i zwykle na specjalne życzenie mogą być dostarczone do aplikacji.

Niekomercyjne uczelniane laboratoria technologiczne optycznych włókien specjalizowanych, w tym SK, udostępniają unikatowe próbki do badań aplikacyjnych. Próbki są powiązane z ich opisem technologicznym i danymi pomiarowymi. Laboratoria takie dysponują opracowaniami światłowodów kształtowanych, między innymi, następujących rodzajów: o złożonej refrakcji, o nietypowych kształtach rdzenia, wielordzeniowe oraz kapilarne. Światłowody mogą być udostępniane zainteresowanym zespołom akademickim do badań w ilościach próbek laboratoryjnych bezpłatnie jedynie wtedy, gdy ich poszukiwane rodzaje (wymiary, refrakcja, właściwości mechaniczne) są dostępne w składzie próbek laboratorium technologicznego. Specjalne żądania wykonania światłowodu kształtowanego, w tym kapilarnego, o parametrach dostosowanych do aplikacji kontrahenta są realizowane na zasadach komercyjnych w uzgodnionym terminie, na zasadzie zlecenia pracy technologicznej dla uczelni.

Laboratorium technologiczne światłowodów kształtowanych prowadzi ciągłe badania nad nowymi rodzajami materiałów optycznych, włókien optycznych i podzespołów. Co pewien okres czasu uruchamiany jest specjalizowany proces technologiczny. Zainteresowane laboratoria zewnętrzne, po uzgodnieniu z laboratorium technologicznym, mogą uczestniczyć w tym procesie w celu uzyskania próbek optymalizowanych dla swoich potrzeb.


Tab.5 Parametry techniczne światłowodów kapilarnych wytwarzanych przez laboratoria technologiczne badawcze, niekomercyjne i komercyjne

Parametr

Rodzaj, wielkość

Rodzaje szkieł

wieloskładnikowe sodowo-wapniowe, barowo-sodowe, ołowiowo-sodowe, borokrzemionkowe,

Refrakcja

Wysokokrzemionkowe ok.1,5, wieloskładnikowe typowo 1,55 – 1,75 , specjalne poza tym zakresem

Technologia

tyglowa, preformowa, hybrydowa, ekstruzja

Wymiary geometryczne

typoszereg wymiarowy np. 125 i 150 µm średnicy zewnętrznej lub na specjalne zamówienie próbki dostępne poza typoszeregiem; w szczególności o mniejszych średnicach;

Średnica zewnętrzna [μm]

Standardowo 30 – 350 , specjalne poza tym zakresem

Średnica wewnętrzna [μm]

Standardowo 5 – 200 , specjalne poza tym zakresem

Stabilność wymiarów poprzecznych [%]

mniejsza niż 3, stabilizowane – mniejsza niż 1%

Średni stopień eliptyczności [%]

mniejsza niż 1 dla standardowej długości próbki

Pokrycie zewnętrzne

Standardowo poliamidowe, twarde, dwuwarstwowe, miękkie silikonowe

Metoda kondycjonowania

wnętrza kapilary



Woda, wodór, tlen, gaz inercyjny, polimey, poliolefiny, teflon, tetra

Pokrycie wewnętrzne

Brak, lub tzw. kondycjonowanie wnętrza kapilary

Zakres przezroczystości [nm]

400 – 2000, zależnie od materiału włókna

Średni poziom przezroczystości

90%/5m w zakresie widzialnym

Profil refrakcyjny

Skokowy, wieloskokowy, quasi-gradientowy, gradientowy

Apertura numeryczna wewnętrzna

Typowo 1 lub (0,2-0,4)

Apertura numeryczna zewnętrzna

0,15-0,4

Wytrzymałość mechaniczna [GPa]

0,3-1,5

Parametr Weibulla

3 – 7

Średni łamiący promień zgięcia

od 3-5 mm dla 50 μm do 15 mm dla 200 μm

Długość dostarczanych próbek

typowo 20-40cm, 1 m, specjalne do 5 m, dłuższe próbki na żądanie

Termin dostarczania próbek typoszeregu

2 tygodnie

Termin dostarczania próbek spoza typoszeregu lub próbek specjalnych

1 miesiąc / po umówieniu się z laboratorium technologicznym co do parametrów technicznych i złożeniu zamówienia;

Typowe koszty próbek typoszeregu

Zamówienie indywidualne (najmniej korzystne cenowo, związane z jednokrotnym uruchomieniem procesu technologicznego): materiały – ok. 1000zł, technologia ok. 1000zł, pomiary i charakteryzacja podstawowych parametrów ok. 1000zł;

Inne światłowody kształtowane

Pierścieniowe, eliptyczne, o złożonej refrakcji, o złożonym kształcie rdzenia, ze specjalnych materiałów,

W szczególności, w celu uniknięcia wysokich kosztów pojedynczego procesu wsadowego laboratoria technologiczne rekomendują: grupowanie podobnych zleceń, wyprzedzanie zleceń co najmniej kilka miesięcy przed zapotrzebowaniem, dyskusję wymagań technologicznych i aplikacyjnych z producentem, itp. Szczególnie kosztowne są procesy wymagające podwójnego procesu wsadowego lub specjalnego przygotowania preformy kapilarnej. Koszt może być nawet kilkukrotnie wyższy od produkcji próbek typoszeregu. Dotyczy to np. kapilar optycznych o ekstremalnie małych rozmiarach zewnętrznych. Parametry wytwarzanych kapilar optycznych przez laboratoria technologiczne zebrano w tabeli 5.

Poziom zapotrzebowania na próbki światłowodów kapilarnych, wśród ośrodków badawczych optoelektroniki, mikrochemii i innych, jest relatywnie mało znany. Dostępność specjalizowanych kapilar optycznych jest niewielka ze względu na ich potencjalnie wielką rozmaitość i na ogół wzajemną niekompatybilność wymiarową i sygnałową pomiędzy sobą. Na przykład, w niektórych badaniach biologicznych poszukiwane i stosowane są do celów badawczych kapilary optyczne o średnicy wewnętrznej 108,5 μm ±1 μm i w zasadzie dowolnej, byle standaryzowanej średnicy zewnętrznej, np. (150-200) μm, lepiej 275 μm lub 375 μm. Światłowód taki powinien mieć dodatkowo jak największą aperturę numeryczną, ze względu na transmisję relatywnie znacznej mocy optycznej. Do wymienionej aplikacji niezbędnych jest bardzo dużo próbek (setki) o długości ok. 1 m. Ten rodzaj SK jest używany w celu sprawdzenia rozwijanej technologii badania dynamiki reakcji w mikroreaktorze z możliwością podświetlenia punktowego miejsca reakcji tuż przy wylocie kapilary. Rola dostarczanej mocy optycznej (fala monochromatyczna) jest istotna w tym zastosowaniu gdyż, wspomaga reakcję a także pozwala na jej dokładniejszą obserwację. Światłowód kapilarny o dokładnie takich parametrach nie jest bezpośrednio dostępny wśród licznego zbioru wykonywanych próbek przez laboratoria technologiczne.

Publikacja przez laboratoria technologiczne komercyjne i niekomercyjne danych wytwarzanych próbek światłowodów instrumentacyjnych ujawnia zapotrzebowanie na poszczególne rodzaje SK. Zapotrzebowanie na SK i związane z nimi noty aplikacyjne jest na ogół znaczne. SK pozostają nadal trudno dostępne i dość kosztowne.


Rozdział 6

rozwój Światłowodów kapilarnych
Podstawowe parametry aplikacyjne światłowodów kapilarnych, istotne dla użytkownika i projektanta czujników i elementów funkcjonalnych z tych włókien to: materiał światłowodu, właściwości refrakcyjne, parametry geometryczne jak – wymiary zewnętrzne oraz proporcje wymiarów pomiędzy otworem i rdzeniem optycznym. Te parametry są dostarczane użytkownikom przez producentów włókien, w ramach danych technicznych, łącznie z próbkami włókien. W zależności od materiału światłowodu, włókno kapilarne może być uczulane na poszczególne oddziaływania zewnętrzne. Poziom refrakcji decyduje o tym, że włókno może być stosowane w różnych środowiskach refrakcyjnych. W zależności od relacji wymiarów, włókno może być stosowane jako czujnik amplitudowy lub fazowy.

Oferta katalogowa światłowodów kapilarnych w Internecie jest stosunkowo uboga w porównaniu do oferty klasycznych kapilar chemicznych – które też są wykorzystywane bezpośrednio jako kapilary optyczne. Oferta SK uzupełnia, w pewnym zakresie, ofertę tzw. światłowodów kształtowanych, nietelekomunikacyjnych. Nie ma jednak jeszcze wyraźnych standardów wymiarowych i refrakcyjnych takich światłowodów co ogranicza ich szersze zastosowania. Dostępność w ofercie producentów światłowodów kapilarnych umożliwia potencjalnie zainteresowanym ośrodkom prowadzenie i rozszerzenie zakresu badań nad mikrosystemami wykorzystującymi takie elementy.

Wraz z rozwojem techniki światłowodów kształtowanych rozszerzona została terminologia dotycząca także światłowodów kapilarnych. Nazywane są one również, jak przedstawiono we wstępie, światłowodami z makrootworem, w odróżnieniu od światłowodów porowatych lub z mikrootworami. Często używana jest nazwa światłowody dziurawe lub puste na obydwie klasy włókien. Ogólnie można podzielić światłowody dziurawe z makrootworem na kilka grup: otwór-rdzeń, otwór obok rdzenia i rdzeń wokół otworu oraz rdzeń zawieszony w powietrzu. Początek tym technologiom dało zastosowanie kapilar – przetwarzanych na światłowody transmisyjne o ciekłych rdzeniach.

Potencjalne możliwości zastosowań światłowodów kapilarnych są stosunkowo szerokie. Związane jest to z następującymi grupami czynników i zjawisk: możliwość transmisji dużej mocy optycznej w powietrznym rdzeniu; oddziaływanie bliskiego otworu na rdzeń światłowodu; możliwość wypełnienia powietrznego rdzenia substancją mierzoną; możliwość tworzenia długiej drogi oddziaływania pomiędzy falą zanikającą rdzenia z otworem; możliwość prowadzenia w otworze fali powierzchniowej typu WGM (whispering gallery modes); możliwości wykorzystania zjawiska modulacji napięcia powierzchniowego cieczy wewnątrz kapilary,

Jednym ze znacznych osiągnięć zastosowań światłowodów kapilarnych jest koherentna transmisja fali materialnej deBroglie, wielomodowej i jednomodowej. Polega ona na uporządkowanej transmisji strumienia pojedynczych atomów w polu optycznym światłowodu kapilarnego. Światłowodowe stożki kapilarne zastosowano do budowy optycznej wersji mikroskopu sił atomowych (AFM). Światłowodowe stożki kapilarne stosowane są do próbkowania badanych powierzchni atomami helu oraz do układania pojedynczych warstw atomów, co może stanowić technologię konkurencyjną dla fotolitografii.

Światłowody kapilarne są zupełnie odmienne co do właściwości i zastosowań od klasycznych światłowodów. Ich podstawową cechą aplikacyjną jest możliwość zbliżenia się z oddziaływaniem zewnętrznym (pozostając wewnątrz światłowodu) do transmisyjnego optycznego pola rdzeniowego. Poprzez bliskość takich oddziaływań, światłowody kapilarne mogą potencjalnie wykazywać znacznie większe wrażliwości od włókien o konstrukcjach klasycznych. Najszerszym przykładem potencjalnej aplikacji jest zintegrowany spektrometr światłowodowy, działający na fali zanikającej, gdzie ośrodek podlegający badaniom znajduje się wewnątrz włókna. Takie światłowody mogą stać się elementami mikrosystemów.

Badania aplikacyjne nad światłowodami kapilarnymi wykorzystują najczęściej włókna optyczne o standaryzowanych wymiarach zewnętrznych wynoszących 125 lub 150 um. Wynika to z konieczności wykorzystania do badań adaptowanego sprzętu telekomunikacyjnego. Najczęściej spotykane wymiary otworów (pojedynczego lub podwójnego) wewnątrz światłowodu wynoszą kilkadziesiąt μm.

Ze światłowodów kapilarnych lub o konstrukcji analogicznej do kapilarnych (np. side hole) budowano szereg urządzeń: czujniki temperatury i naprężeń; elementy o silniej wyrażanych niektórych zjawiskach optycznych, np. elastooptycznych; polaryzatory światłowodowe; czujniki chemiczne, optrody, amplitudowe, spektrometryczne; ostatnio, elementy mikrosystemów.

Potencjalne inne użyteczne zastosowania SK i analogicznych włókien optycznych instrumentacyjnych obejmują:

- światłowodowe czujniki Czerenkowa,

- czujniki położenia wiązki laserowej i innych wiązek, promieniowania x, neutronów, elektronów,

- rozwój światłowodowej kapilarnej optyki rentgenowskiej ze szkieł ciężkich,

- ograniczniki wiązki o wysokiej energii,

- laserowe akceleratory cząstek elementarnych i jonów,

- decelaratory laserowe do powielania częstotliwości wiązki,

- generatory supekontinuum optycznego,

- czujniki nieliniowe wykorzystujące zjawiska rezonansowe, np. plazmonowe

- jednomodowe SK dużej wartości parametru Aeff efektywnej średnica pola modowego,

- dalszą poprawę parametrów fotonicznych metod transportu wiązki światła w SK,

- rozwój mikrosystemów z wykorzystaniem mikrofluidyki SK,

- wytwarzanie SK aktywnych i specjalnie domieszkowanych,

- wytwarzanie SK z metaszkieł.

Jednym z obiecujących kierunków rozwoju SK jest próba połączenia techniki transmisji światła w szkle SK z przetwarzaniem sygnału w półprzewodniku oraz transmisją sygnału elektrycznego w przewodniku, gdze wymienione elementy znajdują się we wnętrzu SK. Wszystkie wymienione funkcjonalności są wówczas zintegrowane w jednym kapilarnym włóknie optycznym refrakcyjnym lub Bragga [1-7]. Obecnie w SK udało się zintegrować ciągłe warstwy lub nanodruty z: polimeru, złota, germanu i krzemu.

We wnętrzu kapilary, metodą CVD w temperaturze 500oC pod wysokim ciśnieniem ponad 103 Atm, budowana jest monokrystaliczna warstwa półprzewodnika, np.Ge. Kapilara o powierzchni półprzewodnikowej może pozostać otwarta. Średnica kapilary jest regulowana bardzo dokładnie przez proces narastania warstwy półprzewodnikowej. Krystaliczny, polikrystaliczny lub amorficzny półprzewodnik tworzy ciągły przewód wzdłuż SK.



Tworzenie monokrystalicznej warstwy krzemowej w SK wykorzystuje złoto jako katalizator oraz silany. Ciekły związek złota jest wprowadzany do kapilary i poddany dekompozycji wiązką laserową. Koloidalne złoto jest osadzane w kapilarze. Silany są wprowadzane do SK w strumieniu gazu inercyjnego He pod wysokim ciśnieniem. Po ogrzaniu SK, pod wpływem katalizacyjnego działania złota, silany podlegają dekompozycji do krystalicznego krzemu osadzanego na ściankach kapilary. Celem jest uzyskanie światłowodowych struktur funkcjonalnych, w których zarówno światło, jak i sygnał elektryczny, nie opuszcza włókna optycznego. Na rys.1 przedstawiono schematycznie przebieg technologii budowy warstwy krzemu na wewnętrznej ściance SK.

Rys.1. Kompozytowy SK szklano-metalowo-półprzewodnikowy; a) Schemat technologii osadzania monokrystalicznego krzemu we wnętrzu SK; b) fotografia SK kompozytowego, na tle igły, z wystającymi mikrodrutami metalowymi i półprzewodnikowymi; mikrodruty mają średnicę 2µm, SK propaguje niebieską wiązkę światła laserowego [1].


LITERATURA
[1] Penn State University, New Process Builds Electronic Function Into Optical Fiber, Single-crystal Semiconductor Wire Built Into An Optical Fiber, ScienceDaily, July 2008

[2] University of Bath, Discovery Cuts Cost Of Next Generation Optical Fibers, ScienceDaily, 7, 2008

[3] S. G. Johnson et al., Low-loss asymptotically single-mode propagation in large-core OmniGuide fibers, Opt. Exp., 9, 748-779, 2001

[4] A. Argyros, Guided modes and loss in Bragg fibres, Opt. Express 10, 1411-1417, 2002

[5] A. Yariv, et.al., Asymptotic analysis of silicon based Bragg fibers, Opt. Exp., 11, 1039-1049, 2003,

[6] A. Yariv, et.al., Asymptotic analysis of Bragg fibers, Opt. Lett. 25, 1756-1758, 2000

[7] A. Yariv, and P. Yeh, Optical Waves in Crystals, Wiley, New York, 1984
Summary

CAPILLARY OPTICAL FIBERS

The monograph on capillary optical fibers (COF) consists of the following chapters: definition of COF, design, manufacturing, characterization, application, development. The work presents a modification of capillary optical fibers fabrication method from an assembled glass preform. A change of dimensional proportions in the capillary optical fiber drawn from a single preform is allowed on-line via the control of overpressure and thermal conditions in the outflow meniscus, what essentially lowers the manufacturing costs. These conditions are among the solutions (velocity fields) of the Navier-Stokes equations adapted to the capillary optical fiber pulling geometry and temperature distribution in the oven. The velocity fields give solutions to other quantities of interest such as flow rate, pulling force and fiber geometry. The calculation and experimental results for capillary optical fibers were shown in the following dimensional range: internal diameters 2-200μm, external diameters 30-350μm, within the assumed dimensional stability (including ellipticity) better than 1%. The parameters of fabricated capillary optical fibers of high-quality low-loss optical multicomponent glasses were: losses<100dB/km, mechanical strength above 1GPa with Weibull coefficient in the range 3-7, internal numerical aperture 0,1-0,3, external numerical aperture 0,1-0,3, core index 1,5-1,8, transparency 0,4-2μm, thermally and/or chemically conditioned internal surface, double polyimide protection layer, soft or hard jacketed, connectorized. The capillary optical fibers were applied in our own and several external laboratories in spectroscopy, refractometry, micro-fluidics and functional microoptic components. The work summarizes a design, technological and application work on capillary optical fibers performed during a recent national research program devoted to optoelectronic components and modules. The bibliography in this summary is quoted from chapter 1.
Definition of capillary optical fiber

A capillary optical fiber (COF) [1] consists of an annular, ring-like, doughnut-shaped, high-index optical core around an air hole, a low-index optical cladding and a protective, high-index polymer jacket (coating). Optical wave propagation in a capillary depends essentially on the geometrical distribution of empty areas in the cross section of the fiber and refractive index distribution near glass-air boundary. Refractive structure of the cladding is uniform or has an index depression around the core. Capillary optical fibers are low-loss optical glass [2], or amorphous polymer [3], multilayer filaments [4] in which uniquely the wave [5] and matter [6] can be simultaneously propagated likewise and counter wise. The axial hole in a COF is perfectly circular [7], quasi-circular (multiangular) or with periodic, angularly distributed surface artifacts, in a photonic COF – for removal of surface modes [8], elliptical [9], square [10] or complex. The axial hole in COF is longitudinally uniform, linearly of exponentially tapered [11,12] for fiber to fiber coupling [11], optical power focusing [12], mode conversion, periodically or aperiodically wrinkled for modal radiation characteristics design between fiber layers.

The empty core is evacuated or is filled with an active medium as vapor – like water [13], gas [14] - like hydrogen [15] or methane [16], liquid [17,18], liquid crystal [19-21], self-assembling colloidal crystal [22] or stream of single, cold, optically guided rather than ballistic particles [23,24] - like atoms, molecules or nanocrystallites. The aim of filling the hollow core is to confine the interaction between the wave and matter to a minute area in the cross section but of considerable optical length in the capillary. The interaction processes get amplified many orders of magnitude by big optical gradients (not necessarily by the intensity alone) and the path.

The internal surface of COF is pure pristine glass – left isolated in vacuum from the very moment of fiber manufacturing [25], conditioned glass - either silanized, hydrated, processed for passivation of unbound oxygen bridges [26], or lined with a variety of immobilized activating thin-film layers [27,28] including electrostatically self-aligning layers of high adhesion [29,30]. The aim of conditioning or lining of the internal capillary surface is to prepare it to the role of a reaction base, immobilizing matrix or catalyst between different interacting streams of matter and wave. After the reaction and optical measurement, the lining layer is be developed, polymerized, chemically or optically modified, partially or completely washed out, to prepare the inner surface of COF for the same, changed or a different process.

Propagation characteristics of the COF, including single-mode or multimode, guided or weakly-leaking modes, depend on the state of internal surface of the fiber [31], relative dimensions of the hollow core to the wavelength and refractive/diffractive structure of glass, and other dielectric [32,33] – like polyolefines, semiconductor [34] – like germanium, or noble metal layers [35] encircling the core. A large difference of indexes on the internal air-glass boundary in the optical core of COF causes that the fundamental mode LP01 (contrary to a classical, step-index singlemode optical fiber) may have a finite value of the cut-off frequency. Cut-off of the fundamental mode in COF (similarly to W-profile and M-profile optical fibers) depends on the fiber construction. The condition for a fundamental mode to possess a nonzero cut-off frequency in a singlemode COF is that the average value of the refraction in the core area (embracing optical core and a hole) has to be lower than the average refraction in the cladding. The area of this property is called a negative dielectric volume [36]. Existence of a nonzero cut-off for the fundamental mode makes from such a COF a tunable distributed modal filter. The filter is fabricated in practice of a tapered length of a fiber. When the COF core is elliptical or distorted cylindrical, the fiber displays birefringence and polarization maintaining capability.

The fundamental, singlemode, ring-like, dark hollow beam of light (DHB) [37] of zero intensity on the axis, propagating in the COF has broad applications in atom optics, microoptics and telecommunications. Field gradient inside the beam exerts a repulsive potential for particles, keeping them on the fiber axis. The fundamental mode of ring-like field distribution may be nearly lossless converted to a Gaussian beam in a tapered mode converter and then coupled to a spliced length of a classical singlemode optical fiber. It is a basic advantage of the singlemode COF. A low-order multimode COF is used for excitation of higher order modes in a classical multimode optical fiber for multimode dispersion compensation in gigabit Ethernet systems, and as a spectrally tuned waveguide filter. A ring-like optical core facilitates coupling of large optical power into the COF because of a larger value of the core to cladding area ratio, in comparison with a classical singlemode step-index optical fiber. A singlemode COF fulfills the following conditions: has a large core in which the fundamental LP01 mode is propagated, without the presence of the next LP02 mode, the fundamental mode has a nonzero and practically realizable value of the cut-off frequency, there are conditions to suppress the unwanted emission, including the stimulated Raman scattering (SRS) in a certain wavelength range, and transmission of this radiation along the COF.

Fabrication techniques of discrete COF differ for pure or high silica glasses and soft glasses and include: MCVD preform with incomplete collapsing, hollow core preform or pressurized multi-crucible [38-40]. The capillaries, 10-200mm in length, are also manufactured during VLSI - like process and remain embedded in a silicon substrate as a product of local oxidation or LPVCD [41].

The COFs are also referred to as hollow core optical fibers. The name of holey optical fibers is also used. The variety of names stems from a construction and technology mixture of discrete capillary optical fiber and photonic crystal fiber with a large hollow core and a network of small holes. Thus, an additional description is needed for a fiber to distinguish its construction in a particular case. Hollow core optical fibers (HCF) mean frequently photonic bandgap (or PBG) fibers, where the light guidance in low index region is provided by periodic dielectric structures (photonic crystals). Alternatively, for a capillary optical fiber a structure is usually meant with no PBG but with an annular optical core of high, step or gradient, index surrounded by a homogeneous or depressed index optical cladding.



Applications of COF stem from either well established chemical capillaries or newer technologies which include: miniaturization, integration, adaptation to planar topology, micromachining, optical measurements, matter and wave co-propagation, multifunction capabilities, intelligence, redundancy and reliability, etc. [42]. The application fields of COF and integrated capillaries may be generally divided to the following areas:

  • classical chemical capillary column technologies, like electrophoresis and chromatography [43,44],

  • new complex and miniaturized chemical capillary technologies including merging of chemical reactants, derivatization and labelling, micro- and nanoliter reactions, microfluidics, pattern determination in picoliter bubble-train flows [45-47], lab-on-capillary systems [48],

  • optically enhanced chemical capillary technologies, like evanescent wave absorbance [49], optical and ultrasonic spectroscopy [50] and spectrofluorometry [51],

  • typical fiber optic areas like low power, trunk [52,53] and high power [54,55] optical transmission in a hollow core, liquid core fibers [56-59], aligning components like ferrules, and connectors [60,61], optical microcomponents, microstructures [62], mode converters, specialized signal transmission and processing,

  • liquid light guides of large dimensions and large NA for UV, visible and IR illumination [63]

  • high power visible and IR transmission with optical capillaries of complex multilayered construction [64] for FEL lasers, with metal inserts covered with dielectrics [65], made from oxide glasses [66,67], and chalcogenide glasses [68] or bundled COFs [69]

  • high power COF guides for CO2 laser and for UV laser [70-73]

  • hollow core photonic crystal fibers with guidance based on photonic bandgap (PBG) [74,75]

  • capillary optics for X-ray transmission [76,77],

  • atom optics, deBroglie wave transmission by optical potential well of the dark hollow beam (DHB) in COF for controlled atomic guidance and deposition [78-81], 

  • optical fiber nanocapillaries [82],

  • lab on a chip systems referred to as chemical microsystems or chemical MOEMS [83-89], which are evolving to very complex, hybrid integrated circuits,

  • COF lasers [90-95],

  • hollow core photonic crystal fibers with guidance related to Von Neumann – Wigner bound and quasi-bound states within a continuum [96,97].

The current research on COF based sensors and photonic functional devices concentrates on: multichannel optical capillary systems [98], evanescent wave measurements [99], ion optrodes of heavy metals - like chromium [100], absorbance spectroscopy [101], sub-microliter spectrometry [102], high-pressure Raman spectroscopy [103], optical-fiber based multi-wavelength electrophoresis [104,105], refractometry [106,107], viscometry [108], microfluidics [109,110] with semiconductor deposited inside a COF, gas sensing [111-113], biosensing [114,115], medical [116], chemical sensing [117], fluorimetry [118] with liquid crystal core capillaries, temperature sensor [119] with Bragg grating capillary, laser trapping of crystallites in hollow optical fibers [120], atom optics, mode converters and filtering for telecommunications [121-123], stimulated Raman scattering suppressors [124], hollow fiber lasers, and many others.

The research on COF and their applications is also active in this country. Two major areas are photonic crystal based (PCF) holey optical fibers [125], manufactured in Lublin [126] and hollow core (non PCF) optical fibers [127] manufactured in Białystok [128]. A recent national program on optoelectronic components and modules PBZ-MIN-009/T11/2003 [129-131], coordinated by CTT Warsaw University of Technology [132] and ITME Warsaw [133], triggered an interest among many laboratories in research and practical applications of available technological variety of COFs [2,134]. Some of these applications include: high mechanical strengths COFs [135], nanoliter microdroplet manipulation in an optical capillary [136-138], refractometry [139], thermometry [140], integrated capillary microcomponents [141], telecommunications [142], high power transmission [143], modeling of matter and wave co-propagation [144], rare-earth doping of capillaries and annular core optical fibers [145], liquid crystal core fibers [146-151], a number of other sensors and functional devices.


Technology of optical fiber capillaries

The subject of the chapter on manufacturing is fabrication and accompanying technological processes of capillary optical fibers. The preform method of capillary manufacturing was presented. The most important parameters of optical capillary are: dimensions of the hole, geometrical proportions between glass and air in the cross section of the fiber, optical energy focusing near the boundary of glass and air. It was shown how, using the technological parameters of fiber pulling process, one can optimize the transmission parameters of the capillary. Discrete capillaries, of the high optical, mechanical and geometrical quality, are the basic components for fabrication of multi-capillary photonic optical fibers.


Optical and mechanical properties of capillary optical fibers

The subject of the chapter on fiber characterization are measurements of optical and mechanical parameters of COF. Optical parametrs include: spectral transparency, numerical aperture, modal characteristics. Optical fiber glass is a brittle material. Classical optical fibers and capillaries (hollow and holey optical fibres) find their applications in optical communications and instrumental, sensory systems. The fibers have to fulfill there certain standards for mechanical performance and safety, like resistance to tensile strain, resistance to bending to some degree. The chapter gathers certain rules of theoretical and practical design and measurements of mechanical resistance of optical fibers. In particular, mechanical strength of hollow optical fibers is debated for instrumental applications. The capillary optical fibres were pulled and tested optically and mechanically.


Applications of capillary optical fibers

The chapter updates and summarizes contemporary applications of capillary optical fibers. Some of these applications are straight consequence of the classical capillary properties and capillary devices like: rheometry, electrophoresis, column chromatography (gas and liquid). Some new applications are tightly connected with co-propagation (or counter-propagation) of micro-mass together with optical wave – evanescent or of considerable intensity. In the first case, the optical wave is propagated in a narrow (more and more frequently single-mode) optical ring core adjacent to the capillary hole. The optical propagation is purely refractive. In the second case, the intensity maximum of optical wave is on the capillary long axis, i.e. in the center of the hole. The optical propagation is purely photonic, i.e. in a Bragg waveguide (one dimensional photonic band-gap). The capillary hole is filled with vacuum or with propagated matter (gas, liquid, single atoms, continuous particle arrangement). Optical capillaries, filamentary and embedded, are turning to a fundamental component of nano- and micro MOEMS.


High power optical fiber capillaries


Optical fiber glass capillaries, in a variety of solutions, initially classical (refractive or reflective), and now photonic (diffractive and interference), are able to transmit high levels of optical power – CW and pulsed. It stems from the fact that the optical IR power is carried nearly totally in air, noble gas or vacuum, but not in solid glass. The level of optical nonlinear effects in air is approximately 103 lower than in the fiber grade glass. The chpter discusses: possible propagation mechanisms in optical capillaries and good/bad sides of these mechanisms for transmission of high optical power, optimal high power fiber capillary parameters, types of used materials. There are underlined existing technical confinements and obtained transmission results. The development tendencies of a new generation of optical fiber capillaries are presented.
Transmission of coherent deBroglie wave in capillary optical fiber

A relatively new method of atomic deBroglie wave transmission in a hollow single mode optical fiber is presented. A slightly blue-detuned, from the atomic resonance, optical evanescent wave in the ring core of the capillary optical fiber creates a potential barrier for co-propagating or counter-propagating deBroglie wave. The applied optical wavelength, associated with the used atomic transitions, was in the range 1100-400nm. There were transmitted in the capillary optical fiber, initially multimode and then singlemode, with various efficiency, excited, metastable atoms of chromium, rubidium, cesium, helium, alkalis, etc. There are considered initial application perspectives of this transmission technology of deBroglie wave for building of coherent cold sources of atoms, atom interferometers, and devices of the inverse lithography, which may possibly compete with the short-wave photo-lithography. The chapter presents a technology review of COF based atom optics.





1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   53


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna