Nanowłókna krzemowe (włókna o średnicy poniżej długości fali) oraz włókna chiralne Silica Nanofibres (Subwavelength-Diameter) and Chiral Fibres
Wprowadzenie (nanowłókna) Prowadzenie mocy Wytwarzanie krzemowego nanowłókna Potencjalne zastosowania nanowłókien Włókna chiralne wprowadzenie: - chiralna krótko-okresowa siatka (CSPGs) - chiralna średnio-okresowa siatka (CIPGs) - chiralna długo-okresowa siatka (CLPGs)
Wprowadzenie (nanowłókna) Krzemionkowe (SiO 2 ) nanowłókno z powietrznym płaszczem nazywane tak ze względu na pod-mikronowe średnice, ma duża różnicę współczynnika złamania rdzenia/płaszcza co efektywnie więzi falę w strukturze. Dla jednomodowego działania takie włókna są zazwyczaj cieńsze niż długość fali prowadzonego światła stąd stosowana jest nazwa włókna o średnicy poniżej długości fali. Mała średnica nanowłókien oraz duża różnica współczynnika załamania rdzeń-płaszcz, przenosi się na szczególne własności tych włókien: mocne uwięzienie fali, duże pole zanikające, duża dyspersja falowodowa. FIG. 1 Profil współczynnika załamania dla nonowłókna z powietrznym płaszczem. FIG. 2 Stała propagacji dla nanowłókna (λ=633nm) Linia przerywana krytyczna średnica dla pracy jednomodowej. Dla λ=1550nm działanie jednomodowe wymaga D< 1.1 um.
Prowadzenie mocy Ze względu na duża różnicę współczynnika załamania rdzenia i płaszcza nanowłókna dla długości fali 633 nm silnie skupiają pole elektryczne do średnicy włókna ok. 400 nm. Jednakże dla dalszej redukcji średnicy, znacząca część pola elektrycznego wychodzi poza strukturę rdzenia co jest jednoznaczne ze startą mocy. FIG. 3 Z-towa składowa wektora Poyntinga dla λ=633nm dla nanowłókna o średnicy 400 nm (prawe) oraz 200 nm (lewe). Obszar zakreskowany odpowiada polu we włóknie zaś gradientowy poza włóknem.
Wytwarzanie krzemowego nanowłókna Z pośród różnorodnych technik wytwarzania noanowłókna obejmujących: foto lub elektonową litografię wiązkową, chemiczny wzrost, ora technologię przewężki z wykorzystaniem lasera lub palnika niskociśnieniowego ostatnia jest najbardziej korzystna (prostota, możliwość wytworzenia jednorodnej struktury o minimalnej średnicy, gładkość powierzchni na poziomie atomowym, długie włókna). Proces może być jedno lub dwustopniowy. Jednostopniowy proces jest prosty i wygodny, jednakże podczas wyciągania włóka bezpośrednio z zmiękczonego płomieniem materiału, turbulencje i ruch obszaru cieplnego uniemożliwiają wytworzenie jednorodnych nanowłókien o średnicy poniżej 200 nm. W takim przypadku konieczne jest zastosowanie procesu dwustopniowego. FIG. 4 2-stopniowe wytwarzanie nanowłókna. Po wyciągnięciu SMF do średnicy około 1 um (etap 1 - paliwo niskowęglowe CH 3 OH)), włókno jest nawinięte wokół szafirowej przewężki (a) zwój jest ogrzewany poprzez podgrzany szafir (~2000 K) i nanowłókno jest wyciągane 1-10 mm/s (etap 2). (b) fotografia 2 etapu. (c) schemat etapu 2. Istnieje możliwość wykonania nanowłókna o średnicy 50 nm.
FIG. 5 380-nm nanowłókno dla 633-nm fali świetlnej umieszczone w aerożelu. Wypromieniowanie z końca pokazuje, iż transmisja ma znacznie mniejsze tłumienie 0.06 db/mm niż scater rysunek obok Potencjalne zastosowania nanowłókien Służą do budowy zespołów różnych mikro- lub nano- fotonicznych elementów lub urządzeń takich jak: liniowe oraz łukowe falowody, sprzęgacze optyczne, rezonatory pierścieniowe, zastosowania w optyce nieliniowej, generacja superkontinuum, prowadzenie i pułapkowanie atomów. Małe wymiary, niskie straty optyczne, prowadzenie wiązki zanikającej, mechaniczna giętkość nadają im unikalne własności w porównaniu do klasycznych urządzeń. Zastosowanie nanowłókna w urządzeniach wymaga umieszczenia ich w podłożu o odpowiednio niskim współczynniku załamania, np. w krzeminkowym aerożelu (cząstki o rozmiarze ok. 5 nm, własności optyczne podobne do krzemionki i n=1.03-1.08).
FIG. 6 530-nm nanowłókno uformowane w łuk o promieniu 8 um w aerożelu ze stratnością dla 633- nm fali świetlnej rzędu 1 db rysunek obok. (planarny PCF jest znacznie trudniejszy technologicznie oraz wykazuje nieuniknione straty out-fo-plane). FIG. 7 150-um średnicy mikro-ring z 880-nm nanowłókno jako rezonator oraz jego charakterystyka transmisyjna o Q rzędu 1000 doniesienia o Q=10 10
Wspominana zaleta nanowłókna posiadanie silnej fali typu evanescent (prowadzenie światła z duża częścią mocy propagującą się poza rdzeniem), pozwala na łatwe wykorzystanie tej struktury do budowy czujników wysoka czułość na zmianę współczynnika załamania otoczenia lub mikrozgięcia nanowłókna przy zachowaniu własności koherencji prowadzonej wiązki. Poniżej schemat takiego czujnika: nanowłókno umieszczone w komorze pomiarowej zawierającej odpowiednie receptory dla danych molekuł, co powoduje zmiany współczynnika załamania otoczenia lub temperatury i oddziaływuje na nanowłókno. Przykłady: pomiar współczynnika załamania cieczy w kanałach microfluidic czułość rzędu 5x10-4, mikroczujnik wodoru poprzez pokrycie nanowłókna ultra cienką warstwa platyny zmiana absorpcji fali evanescent (czas działania ok. 10 s, czyli kilka razy szybciej niż inne rozwiązania). FIG. 8 Schemat krzemionkowego nanowłóknowego elementu czujnikowego.
Włókna chiralne - wprowadzenie Włókna chiralne używają alternatywnego podejścia do wprowadzania okresowości do struktury, która pozwala na polaryzacyjną lub zależną od długości fali selektywność własności. Dzięki temu możliwe jest wprowadzenie do struktury włókna dodatkowych funkcjonalności wymaganych przez filtr, polaryzator, czujnik lub zastosowania laserowe. FIG. 9 Widok z boku na dwuskokowa siatkę na włóknie chiralnym Włókna z rdzeniami: dwójłomnymi centralnymi (double-helix) lub niecentralnymi (single-helix) są mocno skręcane. W czasie przechodzenia przez minipiec na stanowisku (FIG. 10). Wysokokontrastowa siatka chiralna może być uzyskana w strukturze bez konieczności jej fotouczulania. Dla dwuskokowej struktury, oddziaływanie rezonansowe jest możliwe jedynie dla kołowo spolaryzowanego światła o tej samej skrętności co skrętność struktury, podczas gdy dla jednoskokowej struktury bez dwójłomnego rdzenia, oddziaływanie rezonansowe jest nieczułe polaryzacyjnie. FIG. 10 Widok stanowiska do wytwarzania włókna chiralnego
Włókna chiralne dzieli się na trzy zasadnicze grupy ze względu na stosunek skoku włókna do długości fali we włóknie Q=P/ λ: A) CSPGS rezonansowa chiralna krótko-okresowa siatka z okresem (pitch) rzędu 1 um, która odbija światło wewnątrz rdzenia włókna, B) CIPGS nierezonansowa chiralna średnio-okresowa siatka z okresem (pitch) rzędu 10 um, która rozprasza światło poza rdzeń,
C) CLPGS chiralna długo-okresowa siatka z okresem (pitch) rzędu 100 um, która rezonansowo sprzęga mody rdzeniowe do propagujących się modów w płaszczu.
CIPG oraz CLPG struktury są wytwarzane z wystarczającą precyzją do produkcji wysokiej jakości polaryzatorów, filtrów i czujników. Natomiast precyzja wytwarzania CSPG jest niska pomimo jednorodności struktury na poziomie mikroskopowego oglądu, nie uzyskano dobrych wyników dla filtrów optycznych. Polaryzacyjna i zależna od długości fali selektywność włókien chiralnych uzależniona jest od symetrii struktury. Stąd rozważania dotyczące oddziaływania we włóknie chiralnym mogą być prowadzone podobnie do zachowania się przejścia fali przez anizotropową planarną strukturę chiralną taką jak cholesteryczne ciekłe kryształy (CLC Colesteric Liquid Crystals) FIG. 11 Struktura pasmowa warstwowego dielektryka z okresem a oraz jasne i ciemne warstwy odpowiadające wysokiemu i niskiemu współczynnikowi załamania światła. Pole elektryczne (E) oraz natężenie (I) blisko środka struktury są pokazane FIG. 12 Struktura fotoniczna CLC z okresem a i skokiem p=2a. Strzłki obrazują kierunek pola elektrycznego w warstwie