賈 蘭, 馮 宇, 吳 宇, 饒?jiān)平?/p>

(1.第三軍醫(yī)大學(xué) 生物影像工程系, 重慶 400038;2.電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 四川 成都 611731)

丙酮對(duì)碳納米管薄膜微納光纖傳輸光的能量分布影響

賈 蘭1, 馮 宇1, 吳 宇2, 饒?jiān)平?

(1.第三軍醫(yī)大學(xué) 生物影像工程系, 重慶 400038;2.電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 四川 成都 611731)

基于薄膜微納光纖中傳播光能量分布的理論,在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步用模場(chǎng)分析儀觀察微納光纖在表面鍍有碳納米管薄膜包層后,與丙酮?dú)怏w接觸時(shí),其傳輸光的能量分布規(guī)律和倏逝場(chǎng)的變化。實(shí)驗(yàn)可知,在一定濃度的丙酮環(huán)境下,沒有碳納米管薄膜包層時(shí),微納光纖中傳輸光能量呈對(duì)稱分布,當(dāng)有碳納米管薄膜包層時(shí),其能量分布不再對(duì)稱,并且能量分布的直徑寬度增加。

碳納米管; 微納光纖; 薄膜; 能量分布

引 言

隨著醫(yī)療、制藥、環(huán)境、防御以及食品等行業(yè)對(duì)快速、靈敏和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的持續(xù)需求,光纖傳感技術(shù)得到了飛速發(fā)展[1]。在過(guò)去幾十年中,具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、選擇性好的微型化光纖傳感器也取得了很大的發(fā)展[2]。本文把微納光纖作為沉積碳納米管的基底,研究組成氣體傳感器的光學(xué)特性。碳納米管作為一維納米材料,不僅重量輕,而且具有許多特異的電學(xué)、力學(xué)和化學(xué)性能[3]。利用單層膜層的轉(zhuǎn)移技術(shù)(Langmuir-Blodgett膜,簡(jiǎn)稱LB膜)把碳納米管薄膜均勻包裹在微納光纖的外表面,使微納光纖具有碳納米管薄膜的包層,包層結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響微納光纖中光的傳播特性[4]。本文在研究倏逝場(chǎng)理論基礎(chǔ)上,進(jìn)一步利用模場(chǎng)分析儀觀察光纖傳感器在與丙酮?dú)怏w作用前后的能量寬度變化,從而探討碳納米管薄膜微納光纖表面倏逝場(chǎng)的傳感機(jī)理,為研究新型微納光學(xué)傳感器提供參考。

1 理論基礎(chǔ)

微納光纖是直徑接近或小于光波長(zhǎng)的光纖,是以空氣為包層的光波導(dǎo)線結(jié)構(gòu)[5]。對(duì)于直徑比光波長(zhǎng)大許多的標(biāo)準(zhǔn)光纖,其包層的外表面倏逝場(chǎng)的強(qiáng)度幾乎為零,在其中傳導(dǎo)的光與外界的作用受到了限制,因此標(biāo)準(zhǔn)光纖對(duì)外界環(huán)境是不敏感的。而隨著微納光纖的出現(xiàn),使光既可以在這種微小的結(jié)構(gòu)中傳播,又可以使可見光和近紅外波段具有靈活的傳感特性。由于微納光纖的直徑均勻且側(cè)壁光滑,這使它具有很大的倏逝波和高強(qiáng)度的表面場(chǎng)。大比例的倏逝波很容易受到外界包層折射率改變的影響,也加強(qiáng)了傳播光與外界之間的相互作用。微納光纖器件具有低損耗傳播和高機(jī)械強(qiáng)度的特點(diǎn),解決了普通光纖所制作的光學(xué)器件尺寸很難縮小的問(wèn)題,使其作為一種新型的微納光子器件在光通信、光傳感領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[6-7]。微納光纖的光學(xué)約束、波導(dǎo)色散、表面粗糙引起的輻射損失以及彎曲損耗等都有大量的研究報(bào)導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),碳納米管薄膜微納光纖在氣體作用下,高階模能量受到擾動(dòng),并表現(xiàn)出不穩(wěn)定的現(xiàn)象,高階模的能量被吸收,傳播光強(qiáng)度減小。本文則進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究倏逝場(chǎng)能量在光纖直徑中的寬度分布,進(jìn)一步研究倏逝場(chǎng)和外界環(huán)境的具體作用機(jī)理。

2 能量分布觀察實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前,先制備出碳納米管薄膜微納光纖。首先,利用酒精燈采用二步拉伸法拉制出直徑為5 μm的光纖,并確保光纖直徑均勻、表面光滑;其次,利用LB鍍膜技術(shù)把微光纖表面包裹10層碳納米管薄膜;最后,將制備的碳納米管薄膜微納光纖固定在氟化鎂基片上,并利用紅光源或光譜分析儀檢測(cè)是否有光輸出。搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,光源采用1 550 nm的激光,將固定有碳納米管薄膜微納光纖的氟化鎂基片放入氣室中,并在輸出端用剪刀垂直迅速地剪斷離鍍膜區(qū)域1 cm左右的微光纖,保證光通過(guò)鍍膜部分,微納光纖的剪斷端從一小孔出來(lái)對(duì)準(zhǔn)模場(chǎng)分析儀的聚焦透鏡,由電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)并通過(guò)模場(chǎng)分析配套的軟件得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 能量分布實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The experimental system of the energy distribution

用拉制好的未鍍膜的微納光纖進(jìn)行測(cè)試,得到未鍍膜微納光纖中的能量分布3D圖,如圖2所示。從圖中可以看出,普通微納光纖輸出的光能量呈高斯分布,沿A1和A2兩個(gè)互相垂直方向上呈對(duì)稱分布,而且沒有在哪個(gè)方向表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

圖2 未鍍膜微光纖的能量分布Fig.2 The distribution of microfiber with no film

為了觀察未鍍膜微納光纖在丙酮液體揮發(fā)過(guò)程中能量分布寬度的變化,必須使光強(qiáng)的測(cè)量范圍滿足模場(chǎng)分析儀的參數(shù)指標(biāo)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)加入到氣室的丙酮體積為150 μL比較合適,當(dāng)丙酮揮發(fā)完全氣室里的氣體濃度趨于穩(wěn)定時(shí),記錄沿A1、A2兩個(gè)互相垂直方向能量寬度的改變。分別記錄總能量減少13.5%和50%時(shí)微納光纖中能量寬度的分布,得到未鍍膜的微納光纖實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖3所示。

圖3 未鍍膜微納光纖在丙酮環(huán)境下A1和A2方向能量寬度隨時(shí)間的分布Fig.3 The distribution in time of energy width in A1 and A2 directions of uncoated microfiber under acetone gas

由圖3可以看出,傳播光能量降低13.5%和50%時(shí),其在微納光纖中的能量寬度呈弧形分布,這主要是由于丙酮在揮發(fā)過(guò)程中引起能量寬度一定程度的展寬,但隨著丙酮揮發(fā)完全,濃度穩(wěn)定后,寬度又開始恢復(fù)為初始值。同時(shí)可以觀察到沿A1和A2方向能量是對(duì)稱分布,沒有表現(xiàn)出某一方向上有強(qiáng)烈的優(yōu)勢(shì)。由此可知,光源的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性對(duì)能量在光纖直徑中的寬度分布影響不大。

在相同的丙酮?dú)怏w環(huán)境下,對(duì)碳納米管薄膜微納光纖中傳播光的能量分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖4為碳納米管薄膜微納光纖在丙酮?dú)怏w環(huán)境下能量降低13.5%和50%后的分布,由圖可見,能量寬度都有一定程度的增加,這說(shuō)明能量更多地分布到了高階模,倏逝場(chǎng)能量增強(qiáng),微納光纖的束縛能力減弱。碳納米管在與丙酮作用過(guò)程中,使作為包層結(jié)構(gòu)的碳納米管的折射率受到了調(diào)制,微納光纖的束縛能力發(fā)生了改變,導(dǎo)致總的光強(qiáng)減小,但能量在光纖中的寬度分布增加。同時(shí),可以發(fā)現(xiàn)鍍膜之后,A1和A2方向的能量分布初始值不相同,能量分布不具有對(duì)稱性,不再服從高斯分布,而且A1和A2方向能量分布在氣體影響下的改變也不同步。

圖4 碳納米管薄膜微納光纖在丙酮環(huán)境下A1和A2方向能量寬度隨時(shí)間的分布Fig.4 The distribution in time of energy width in A1 and A2 direction of CNTs coated microfiber under acetone gas

3 結(jié) 論

利用模場(chǎng)分析儀觀察碳納米管薄膜微納光纖在與氣體作用時(shí),傳輸光在光纖中的能量分布寬度的變化,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了碳納米管薄膜微納光纖與氣體的具體作用機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在與丙酮的作用過(guò)程中,碳納米管薄膜微納光纖的傳輸光不再具有能量分布對(duì)稱性,總的光強(qiáng)能量減小,但是能量分布寬度增加,說(shuō)明倏逝場(chǎng)能量增加,光纖的束縛能力在丙酮揮發(fā)過(guò)程中減弱。本實(shí)驗(yàn)為研究新型氣體傳感器、薄膜傳感器以及更好的利用倏逝波能量提供了參考。

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[3] ZHANG L,LOU J Y,TONG L M.Micro/nanofiber optical sensors[J].Photonic Sensors,2011,1(1):31-42.

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[5] 賈蘭,廖新華,吳宇,等.不同折射率氣體包層環(huán)境對(duì)微光纖傳輸光強(qiáng)的影響[J].光學(xué)儀器,2015,37(3):230-232.

[6] JIA L,WU Y,YAO B C,et al.A sensitivity enhanced gas sensor based on carbon nanotubes around microfiber[C]∥Proceedings of SPIE 8351,Third Asia Pacific Optical Sensors Conference.Sydney,Australia:SPIE,2012.

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ImpactofacetonegasonthelightenergydistributioninthemicrofiberwithCNTsfilms

JIA Lan1, FENG Yu1, WU Yu2, RAO Yunjiang2

(1.School of the Bio-Imaging Engineering, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China; 2.School of Communication & Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Based on the theory and experiments of energy distribution in the cladding microfiber,this paper studies the change in the light energy distribution and evanescent field of the microfiber coated carbon nanotubes(CNTs) films when it is exposed to acetone gas.The results reveal that the uncoated fiber shows symmetrical energy distribution under certain gas environment,while in the same gas environment,for the microfiber coated CNTs films,there is an increase in its width of the output light energy,and its energy distribution is unsymmetrical.

carbon nanotubes(CNTs); microfiber; film; energy distribution

1005－5630（2017）05－0074－04

2017-05-18

賈 蘭(1986—),女,講師,主要從事微納光纖器件方面的研究。E-mail:jialanlxy981@126.com

馮 宇(1987—),男,講師,主要從事物理學(xué)方面的研究。E-mail:yfeng@ihep.ac.cn

O 646

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2017.05.013

(編輯:劉鐵英)