Budowa macierzy z wªókien ±wiatªowodowych III Pracownia z optyki Michaª D browski Streszczenie Zbudowano od podstaw przyrz d optyczny, skªadaj cy si z rozªo»onych równomiernie ±wiatªowodów wielomodowych. Opracowano technologi produkcji urz dzenia przy wykorzystaniu dost pnych ±rodków. Zbudowano ukªad do±wiadczalny do kalibracji detektora i stwierdzono,»e transmisja pojedynczego ±wiatªowodu wykosi 7580% niezale»nie od wªókna, do którego wpuszczamy ±wiatªo. Pokazano,»e mo»liwe jest precyzyjne adresowanie pojedynczych ±wiatªowodów oraz wykonano map przestrzennego uªo»enia ±wiatªowodów w zbudowanym urz dzeniu. W przyszªo±ci po zaªo»eniu ko«cówek FC/PC na ko«cach ±wiatªowodów, urz dzenie posªu»y do przestrzennego rozdzielania pojedynczych fotonów emitowanych przez komórki z parami rubidu. 1 Jak zbudowa macierz ±wiatªowodów? Do budowy detektora ±wiatªowodowego potrzebne s : 20 metrów ±wiatªowodu wielomodowego o ±rednicy rdzenia 62,5µm, ±rednicy pªaszcza 125µm oraz ±rednicy osªonki akrylowej 250µm, ±wiatªowodowy klej epoksydowy EPO-TEK 360, no»yce kevlarowe do ci cia ±wiatªowodów (rysunek 1), stripper do ±ci gania osªonek z otworem o ±rednicy 125µm, zasiskarka do kabli z otworem.042 (np.»óªta LPU 336J), piªa diamentowa (rysunek 2), cleaver lub rysik diamentowy, zestaw do polerowania ±wiatªowodów (np. Thorlabs CK03), tulejka zaciskowa 0,25mm 2 (np. TME TUL-NI-00207), koszulka termokurczliwa 1,5mm czerwona, ±ciernica wielofunkcyjna z gumowym wiertªem patrz rysunek 1 (mo»e by potrzebna przej±ciówka na wiertªo), uchwyt do polerowania ±wiatªowodów (patrz: rysunek 3), aceton oraz izopropanol, strzykawka z igª. Rysunek 1: Zestaw narz dzi potrzebnych do wykonania macierzy ±wiatªowodów: a no»yce kevlarowe do ci cia ±wiatªowodów, b stripper do ±ci gania akrylowej osªonki ze ±wiatªowodów, c zasiskarka do tulejek na kable elektryczne, nale»y u»y otworu oznaczonego jako.042 (zaznaczony czerwonym okr giem), d gumowe wiertªo u»yte do wst pnego szlifowania powierzchni macierzy ±wiatªowodów. Aby wykona detektor ±wiatªowodowy, nale»y: 1. Za pomoc no»yc kevlarowych uci 30 póªmetrowych odcinków ±wiatªowodu. wiatªowody mo»na nawija na kawaªek sztywnego kartonu zwini ty w rulon o odpowiedniej ±rednicy. 1
2. U»ywaj c strippera zdj z ka»dego kawaªka ±wiatªowodu akrylow osªonk na odcinku 2cm. Nast pnie cz ± ±wiatªowodu bez osªonki umy w izopropanolu. 3. Uªo»y ±wiatªowody w p czek tak, aby odsªoni te ko«ce tworzyªy jedn pªaszczyzn. Nast pnie wsun caªo± do metalowej tulejki tak, aby po obu stronach tulejki widoczne byªy cz ±ci ±wiatªowodów bez osªonki. Pomocne mo»e okaza si ponowne zamoczenie ko«cówek ±wiatªowodów w izopropanolu przed wªo»eniem do tulejki. 4. Przygotowa klej epoksydowy zgodnie z instrukcj na opakowaniu. Prawidªowo zmieszany klej wla do strzykawki, nast pnie nanie± na powierzchni ±wiatªowodów po obu stronach metalowej tulejki. Rozprowadzi klej, delikatnie poruszaj c tulejk wzdªu» p ku ±wiatªowodów. 5. U»ywaj c zaciskarki do kabli, zacisn tulejk wzdªu» caªej jej powierzchni. Nale»y zwróci uwag, aby poszczególne ±lady po zaciskaniu byªy wzgl dem siebie równolegªe. 6. Naªo»y na p k ±wiatªowodów kilka centymetrów koszulki termokurczliwej tak, aby równie» metalowa tulejka zostaªa obj ta koszulk w poªowie swojej dªugo±ci. U»ywaj c lutownicy, podgrza koszulk termokurczliw, doprowadzaj c do jej ±cisªego przylegania do powierzchni ±wiatªowodów. 7. Nale»y zostawi caªo± na 23 dni w celu wyschni cia kleju. Klej zostaª prawidªowo zmieszany, a rozpocz t konstrukcj urz dzenia mo»na kontynuowa, je»eli barwa zmieniªa si z»óªtej na pomara«czow, za± klej ma konsystencj ciaªa staªego. 8. Przeci metalow tulejk przy u»yciu piªy diamentowej (dost pnej w LPU), zasilanej napi ciem 56V. Pomocne mo»e okaza si przytrzymywanie cz ±ci tulejki wystaj cej poza zasisk (powinna wystawa okoªo 34mm) oraz umieszczenie w podªu»nym zasisku drugiej tulejki celem ochrony tulejki ze ±wiatªowodami przed zgnieceniem. Pami ta o u»yciu wody jako chªodziwa podczas ci cia. Rysunek 2: Zdj cie a: Piªa diamentowa u»yta do przeci cia metalowej tulejki ze ±wiatªowodami. Czerwony przewód podª czy do dadatniego, za±»óªty do ujemnego bieguna ¹ródªa zasilania. Optymalne warunki ci cia uzyskuje si przy naci ciu 56V. Metalow tulejk z macierz ±wiatªowodów nale»y unieruchomi w imadle, w razie potrzeby umieszczaj c obok przecinanej tulejki drug identyczn (aby równomiernie rozªo»y nacisk).zdj cie b: Cleaver (dost pny w LPU) sªu» cy do równego przycinania ko«- cówek wªókien ±wiatªowodowych. wiatªowody musz mie zdj t osªonk akrylow na odcinku 23cm. Zamiast cleavera mo»na u»y rysika diamentowego (zdj cie c). 9. Przeci ty p k ±wiatªowodów umie±ci w uchwycie sªu» cym do polerowania rysunek 3. W tym celu nale»y przeªo»y caªy p k przez uchwyt, nast pnie ostro»nie, unikaj c zªamania ±wiatªowodów, nasun a» do napotkania naporu mosi»n tulejk z naci ciami na ±wiatªowody. Mosi»n tulejk wraz ze ±wiatªowodami ponownie umie±ci w uchwycie pasuj cym do obróbki za pomoc tokarki. 2
Gdyby ±wiatªowody w mosi»nej tulejce nie chciaªy gªadko wchodzi, nale»y delikatnie wepchn j ±rubokr tem do wn trza uchwytu. Caªo± przykr ci ±rubk M2 umieszczon wewn trz uchwytu. 10. U»ywaj c tokarki w warsztacie oraz szlierki zamiast ostrza tokarskiego, przy pomocy gumowego ostrza wyrówna przedni powierzchni macierzy. wiatªowody powinny wystawa okoªo 1mm poza pªask powierzchni uchwytu (oraz mosi»nej tulejki). Tokarka oraz szlierka powinny pracowa na przeciwnych obrotach. Po sko«czenie pracy, caªo± oczy±ci przy pomocy acetonu. 11. Przy pomocy zestawu do polerowania ±wiatªowodów, post puj c zgodnie z instrukcj, wykona polerowanie, u»ywaj c kolejno papierów o coraz mniejszej ±rednicy ziaren. wiatªowody powinny wystawa okoªo 0,5mm poza pªask powierzchni uchwytu. Pami ta o wyszyszczeniu ±wiatªowodów w izopropanolu po ka»dym polerowaniu. Uwa»a na zanieczyszczenia na papierze/gumowej podkªadce oraz na zu»yte kawaªki papieru ±ciernego. 12. Po ka»dym etapie polerowania sprawdzi jako± polerowanej powierzchni przy u»yciu mikroskopu. Nast pnie wysun ±wiatªowody z uchwytu oraz mosi»nej osªonki. Widok przedniej powierzchni detektora po udanym polerowaniu przedstawia rysunek 5. Rysunek 3: Lewe zdj cie: widok zbudowanej macierzy ±wiatªowodów (etap 12). Zielonymi karteczkami oznaczono numery kolejnych ±wiatªowodów. A zbli»enie na przedni powierzchni detektora, widoczna metalowa tulejka umieszczona w usªonce termokurczliwej (etap 8), B zbli»enie na przedni powierzchni detektora przed naªo»eniem osªonki i przeci ciu piª diamentow, widoczne ko«cówki ±wiatªowodów oraz ±lady po zaciskaniu (etap 5). Prawe zdj cie: widok uchwytu sªu» cego do r cznego polerowania ±wiatªowodów, wywiercony otwór ma ±rednic 3mm. a widok przedniej powierzchni z wysuni t mosi»n tulejk do stabilizacji macierzy ±wiatªowodów. b osªonka zapobiegaj ca zarysowywaniu si powierzchni ±wiatªowodów podczas ich badania pod mikroskopem. 2 Obserwacja jako±ci wykonania pod mikroskopem Aby oceni jako± i dokªadno± wykonania macierzy ±wiatªowodów, nale»y wykona zdj cia przy pomocy mikroskopu optycznego. Wystarczaj ce jest powi kszenie mikroskopu (obiektyw okular) rz du 100-200. wiatªowody nale»y o±wietli od doªu, umieszczaj c w pier±cieniu mikroskopu pªytk ±wiatªodziel c (rysunek 4). Nale»y pami ta o wyj ciu z uchwytu pªytki ±wiatªodziel cej ltru barwnego. Po umieszczeniu w pier±cieniu mikroskopu nale»y tak wybra pozycj, aby ±wiatªo o±wietlaªo powierzchni ±wiatªowodów, za± tworzony obraz mo»na byªo ogl da przy pomocy okularu. W celu wykonania zdj cia nale»y umie±ci aparat Canon w uchwycie po prawej stronie mikroskopu (nale»y pami ta o zdj ciu obiektywu aparatu). Wykonane zdj cia s pokazane na rysunku 5. Wida na nim równomierne roz- ªo»enie wªókien na powierzchni macierzy. Podczas polerowania nale»y kontrolowa jako± polerowanej powierzchni za pomoc obrazu mikroskopowego. Rysunek 6 pokazuje kolejne etapy polerowania przy u»yciu papierów polerskich o coraz mniejszej ±rednicy ziaren. Pocz tkowo mocno niewyra¹na powierzchnia zawiera mnóstwo znieksztaªce«, które w miar dalszego polerowania ust puj miejsca licznym rysom ostetecznie powinni±my otrzyma powierzchni równomiernie wypolerowan, pozbawion rys, zadrapa«oraz nierówno±ci. 3
Rysunek 4: Sposób wykonania zdj cia przedniej powierzchni macierzy przy u»yciu mikroskopu optycznego: a w zaznaczonym miejscu nale»y umie±ci pªytk ±wiatªodziel c w obudowie pasuj cej do mikroskopu (zdj cia 1 i 2). W przypadku zamocowanego ltra barwnego (1) nale»y go wymontowa, uzyskuj c pªytk bez ltra (2), któr umieszczamy pod obiektywem mikroskopu. b nale»y wª czy o±wietlenie od doªu, nast pnie zamocowa aparat Canon w uchwycie (powi kszenie na zdj ciu c). Rysunek 5: Zdj cie z mikroskopu optycznego o powi kszeniu 100, pokazuj ce powierzchni detektora. Widoczne pojedyncze ±wiatªowody z wyra¹nie rozdzielonym obszarem rdzenia i pªaszcza. Prostok tna plama ±wiatªa pochodzi od ¹ródªa ±wiatªa u»ytego do o±wietlenia badanego obiektu ±wiatªem odbitym od jego powierzchni. Widoczna pªaska powierzchni ±wiatªowodów uzyskana w procesie polerowania. 4
Rysunek 6: Zdj cia przedstawiaj ce kolejne etapy polerowania macierzy ±wiatªowodów przy u»yciu papierów polerskich (Thorlabs) o coraz mniejszej gramaturze. Wida coraz lepsz jako± polerowanej powierzchni, o czym ±wiadczy zmniejszanie si liczby i rozmiarów rys na powierzchni ±wiatªowodów. rednica pªaszcza (widocznego na zdj ciach) ±wiatªowodów wynosi 125µm. 3 Ukªad do±wiadczalny do kalibracji detektora Aby zbudowane urz dzenie mogªo sªu»y jako detektor pojedynczych fotonów, musi posiada bardzo dobr transmisj oraz umo»liwia przestrzenne rozdzielanie wi zki lasera rozchodz cej si pod ró»nymi k tami. Innymi sªowy, wymagana jest wysoka zdolno± transmisyjna w ka»dym ze ±wiatªowodów oraz mo»liwo± wpuszczenia wi zki laserowej niezale»nie do ka»dego w wªokien znajduj cych si w p czku. W celu zademonstrowania powy»szych wªasno±ci zbudowano ukªad do±wiadczalny, przedstawiony na rysunku 7. Wi zka ±wiatªa z diody laserowej, po uksztaªtowaniu za pomoc soczewki oraz przesªon, przechodziªa przez polaryzuj c kostk ±wiatªodziel c (odbita cz ± opuszczaªa ukªad i nie zostaªa przedstawiona na schemacie), a nast pnie padaªa na powierzchni obiektywu mikroskopowego. Za pomoc stolika przesuwnego XYZ mo»na byªa kontrolowa poªo»enie p ku ±wiatªowodów wzgl dem ±rodka obiektywu mikroskopowego. Transmisja poszczególnych ±wiatªowodów byªa badana przy u»yciu miernika mocy, za± ±wiatªo odbite od przedniej powierzchni macierzy ±wiatªowodów wracaªo przez obiektyw do kamery CCD, ustawionej w odlegªo±ci d=16cm od obiektywu (odlegªo± pracy dla obiektywu mikroskopowego). Na odcinku od kostki ±wiatªodziel cej do kamery odbita od powierzchni ±wiatªowodów wi zka byªa chroniona przed szumem pochodz cym z otoczenia za pomoc czarnej plastikowej rury patrz rysunek 9. Rysunek 7: Schemat ukªadu do±wiadczalnego do pomiaru transmisji ±wiatªowodów w zbudowanym urz - dzeniu. LASER dioda laserowa @785nm, P polaryzator, F soczewka o ogniskowej f = 30cm, S1 okr gªa szczelina o ±rednicy 140µm, S2 irys, PBS polaryzuj ca kostka ±wiatªodziel ca, OB obiektyw mikroskopowy o powi kszeniu 10, XYZ stolik przesuwny, FIB zbudowany detektor ±wiatªowodowy, CCD kamera, DET miernik mocy. 5
Nat»enie ±wiatªa rejestrowane przez miernik mocy w stosunku do nat»enia ±wiatªa za obiektywem mikroskopowym wynosiªo okoªo 7580%, niezale»nie od poªo»enia ±wiatªowodu na powierzchni macierzy. Nale»y pami ta, aby podczas pomiaru nat»enia transmitowanego ±wiatªa miernikiem mocy wyrówna swobodn ko«cówk ±wiatªowodu (tzn. tak, która nie jest wraz z innymi uªo»ona w macierz) przy u»yciu ostrza diamentowego cleaver'a (dost pne w LPU) rysunek 2. Rysunek 8: Zdj cie z góry ukªadu do±wiadczalnego. Oznaczenia identyczne jak na rysunku 7. Czerwon lini zaznaczono bieg wi zki laserowej w ukªadzie. Powi kszenie cz ±ci ukªadu zaznaczonego przerywan ramk znajduje si na rysunku 9. Rysunek 9: Zdj cia cz ±ci ukªadu do±wiadczalnego. Rysunek A: po prawej szczelina o ±rednicy 140 µm, u góry kamera CCD, u doªu pochªaniacz wi zki (oznaczonej kolorem czerwonym), po lewej stronie stolik przesuwny z obiektywem mikroskopowym i macierz ±wiatªowodów. Na skrzy»owaniu wi zek laserowych znajduje si kostka polaryzuj ca, z której wi zka biegnie ciemn rur do kamery, w celu zminimalizowania ±wiatªa z zewn trz ukªadu. Rysunek B: zbli»enie na obiektyw mikroskopowy i macierz ±wiatªowodów. 4 Przestrzenna zdolno± rozdzielcza urz dzenia Aby wykaza przestrzenn zdolno± rozdzielcz urz dzenia, umieszczono ko«cówki ±wiatªowodów w pªytce pleksi z rowkami naci tymi przy u»yciu frezarki (frez sko±ny), aby ªatwiej byªo umieszcza w pªytce pojedyncze ±wiatªowody. Nast pnie reguluj c poªo»enie czoªa detektora macierzowego przy u»yciu ±rub mikrometrycznych w stoliku przesuwnym, zmieniano numer ±wiatªowodu aktualnie transmituj cego ±wiatªo. Wynik eksperymentu przedstawia rysunek 10. 6
Rysunek 10: Manipulacja numerem ±wiatªowodu, do którego jest wpuszczane ±wiatªo lasera. Zmieniaj c ustawienie ±rub mikrometrycznych na stoliku przesuwnym XYZ, mo»liwa jest zmiana ±wiatªowodu, który emituje ±wiatªo na wyj±ciu z ukªadu (czerwona kropka w niebieskim okr gu). Na zdj ciu c) pokazany jest ksztaªt wi zki wychodz cej z prawidªowo uci tego (ostrzem diamentowym) ko«ca ±wiatªowodu. Rysunek 11 przedstawia obraz z kamery CCD wida poszczególne ±wiatªowody (zaznaczone czerwonymi okr gami) oraz metalow tulejk (niebieski okr g). Mo»na zauwa»y,»e mo»liwe jest zmienianie ±wiatªowodu, który aktualnie transmituje ±wiatªo. Na zdj ciu wida równie»,»e praktycznie caªe nat»enie wi zki padaj cej jest wpuszczane do rdzenia ±wiatªowodu, natomiast ±wiatªo nie rozchodzi si w pªaszczu, jak równie» zaniedbywalnia maªa jego cz ± jest rozpraszana z powrotem do kamery CCD. Rysunek 11: Obraz z kamery wykorzystywanej do detekcji ±wiatªa rozproszonego na powierzchni ±wiatªowodów. Niebieskimi okr gami zaznaczono tulejk, w której umieszczone zostaªy wªókna ±wiatªowodów. Czerwone okr gi wyznaczaj obszary, w których znajduj si poszczególne wªókna (pªaszcz i rdze«). Na rysunkach a c wida ±wiatªo laserowe wchodz ce do rdzenia ±wiatªowodu, na rysunku d natomiast ±wiatªo zostaje odbite od powierzchni, na której nie znajduje si»aden ±wiatªowód. Wida,»e mo»liwe jest precyzyjne sterowanie numerem ±wiatªowodu, do którego jest wpuszczane ±wiatªo. 5 Mapa przestrzennego uªo»enia ±wiatªowodów Ko«cowym efektem opracowania technologii wytwarzania macierzy ±wiatªowodów byªo stworzenie mapy, obrazuj cej rozªo»enie wªokien na powierzchni zbudowanego detektora. Poszczególne ±wiatªowody zo- staªy oznaczone zielonymi karteczkami (rysunek 3) odpowiadaj im numery widoczne na rysunku 12. Dla przykªadu, oznaczenie 2.15 na karteczce oznacza,»e mamy do czynienia ze ±wiatªowodem numer 15 w drugim egzemplarzu macierzy ±wiatªowodów. Po zaªo»eniu przez rm Optokon (posiada papier polerski o ±rednicy ziaren 0.1µm) ko«cówek FC/PC macierz ±wiatªowodów zostanie podª czona do liczników pojedynczych fotonów. Mo»na pomy±le o sposobach poprawienia transmisji ±wiatªowodów (lepsze polerowanie) oraz bardziej regularnym rozªo»eniu wªokien na powierzchni urz dzenia. 7
Rysunek 12: Mapa pokazuj ca przestrzenne rozªo»enie pojedynczych ±wiatªowódów w trzech egzemplarzach zbudowanego urz dzenia. Numery odpowiadaj napisom na karteczkach przyczepionych do poszczególnych ±wiatªowodów. Ciemne pola oznaczaj ±wiatowody, które ulegªy uszkodzeniu w procesie produkcji i nie przepuszczaj ±wiatªa. Warto zwróci uwag na równomierne rozªo»enie ±wiatªowodow w trzech okr gach, odpowiednio 16, 10 i 4 ±wiatªowody w okr gu. 6 Podsumowanie i wnioski Udaªo si zbudowa urz dzenie optyczne, stanowi ce macierz skªadaj c si z 30 wªókien ±wiatªowodowych. W pracy szczegóªowo opisano procedur wytworzenia macierzy przy u»yciu dost pnych ±rodków. W wyniku polerowania osi gni to wspóªczynnik transmisji rz du 75-80%, niezale»ny od poªo»enia wªókna ±wiatªowodowego na powierzchni macierzy. Jako± wykonania powierzchni macierzy, w tym polerowania ±wiatªowodów, sprawdzono korzystaj c z mikroskopu optycznego. Zbudowano ukªad do±wiadczalny pozwalaj cy na obserwowanie powierzchni macierzy przy u»yciu odbitej wi zki laserowej. Dzi ki temu udaªo si wykona map przestrzennego uªo»enia ±wiatªowodów na powierzchni urz dzenia. Po zaªo»eniu na ko«cach ±wiatªowodów ko«cówek FC/PC, urz dzenie b dzie wykorzystywane do rejestracji pojedynczych fotonów z przestrzenn zdolno±ci rozdzielcz. 8