丙酮对碳纳米管薄膜微纳光纤传输光的能量分布影响

引言 随着医疗、制药、环境、防御以及食品等行业对快速、灵敏和现场监测的持续需求, 光纤传感技术得到了飞速发展[1]。在过去几十年中, 具有体积小、灵敏度高、响应快、选择性好的微型化光纤传感器也取得了很大的发展[2]。本文把微纳光纤作为沉积碳纳米管的基底, 研究组成气体传感器的光学特性。碳纳米管作为一维纳米材料, 不仅重量轻, 而且具有许多特异的电学、力学和化学性能[3]。利用单层膜层的转移技术(Langmuir-Blodgett膜, 简称LB膜)把碳纳米管薄膜均匀包裹在微纳光纤的外表面, 使微纳光纤具有碳纳米管薄膜的包层, 包层结构的改变会影响微纳光纤中光的传播特性[4]。本文在研究倏逝场理论基础上, 进一步利用模场分析仪观察光纤传感器在与丙酮气体作用前后的能量宽度变化, 从而探讨碳纳米管薄膜微纳光纤表面倏逝场的传感机理, 为研究新型微纳光学传感器提供参考。 1 理论基础 微纳光纤是直径接近或小于光波长的光纤, 是以空气为包层的光波导线结构[5]。对于直径比光波长大许多的标准光纤, 其包层的外表面倏逝场的强度几乎为零, 在其中传导的光与外界的作用受到了限制, 因此标准光纤对外界环境是不敏感的。而随着微纳光纤的出现, 使光既可以在这种微小的结构中传播, 又可以使可见光和近红外波段具有灵活的传感特性。由于微纳光纤的直径均匀且侧壁光滑, 这使它具有很大的倏逝波和高强度的表面场。大比例的倏逝波很容易受到外界包层折射率改变的影响, 也加强了传播光与外界之间的相互作用。微纳光纤器件具有低损耗传播和高机械强度的特点, 解决了普通光纤所制作的光学器件尺寸很难缩小的问题, 使其作为一种新型的微纳光子器件在光通信、光传感领域都有广泛的应用[6-7]。微纳光纤的光学约束、波导色散、表面粗糙引起的辐射损失以及弯曲损耗等都有大量的研究报导。实验发现, 碳纳米管薄膜微纳光纤在气体作用下, 高阶模能量受到扰动, 并表现出不稳定的现象, 高阶模的能量被吸收, 传播光强度减小。本文则进一步通过实验研究倏逝场能量在光纤直径中的宽度分布, 进一步研究倏逝场和外界环境的具体作用机理。 2 能量分布观察实验 实验前, 先制备出碳纳米管薄膜微纳光纤。首先, 利用酒精灯采用二步拉伸法拉制出直径为5 μm的光纤, 并确保光纤直径均匀、表面光滑; 其次, 利用LB镀膜技术把微光纤表面包裹10层碳纳米管薄膜; 最后, 将制备的碳纳米管薄膜微纳光纤固定在氟化镁基片上, 并利用红光源或光谱分析仪检测是否有光输出。搭建的实验系统如图 1所示, 光源采用1 550 nm的激光, 将固定有碳纳米管薄膜微纳光纤的氟化镁基片放入气室中, 并在输出端用剪刀垂直迅速地剪断离镀膜区域1 cm左右的微光纤, 保证光通过镀膜部分, 微纳光纤的剪断端从一小孔出来对准模场分析仪的聚焦透镜, 由电脑进行数据采集、存储并通过模场分析配套的软件得出实验结果。 图 1 能量分布实验系统 Figure 1 The experimental system of the energy distribution 用拉制好的未镀膜的微纳光纤进行测试, 得到未镀膜微纳光纤中的能量分布3D图, 如图 2所示。从图中可以看出, 普通微纳光纤输出的光能量呈高斯分布, 沿A1和A2两个互相垂直方向上呈对称分布, 而且没有在哪个方向表现出优势。 图 2 未镀膜微光纤的能量分布 Figure 2 The distribution of microfiber with no film 为了观察未镀膜微纳光纤在丙酮液体挥发过程中能量分布宽度的变化, 必须使光强的测量范围满足模场分析仪的参数指标。经过多次实验, 发现加入到气室的丙酮体积为150 μL比较合适, 当丙酮挥发完全气室里的气体浓度趋于稳定时, 记录沿A1、A2两个互相垂直方向能量宽度的改变。分别记录总能量减少13.5%和50%时微纳光纤中能量宽度的分布, 得到未镀膜的微纳光纤实验结果, 如图 3所示。 图 3 未镀膜微纳光纤在丙酮环境下A1和A2方向能量宽度随时间的分布 Figure 3 The distribution in time of energy width in A1 and A2 directions of uncoated microfiber under acetone gas 由图 3可以看出, 传播光能量降低13.5%和50%时, 其在微纳光纤中的能量宽度呈弧形分布, 这主要是由于丙酮在挥发过程中引起能量宽度一定程度的展宽, 但随着丙酮挥发完全, 浓度稳定后, 宽度又开始恢复为初始值。同时可以观察到沿A1和A2方向能量是对称分布, 没有表现出某一方向上有强烈的优势。由此可知, 光源的不稳定性和随机性对能量在光纤直径中的宽度分布影响不大。 在相同的丙酮气体环境下, 对碳纳米管薄膜微纳光纤中传播光的能量分布进行了实验。图 4为碳纳米管薄膜微纳光纤在丙酮气体环境下能量降低13.5%和50%后的分布, 由图可见, 能量宽度都有一定程度的增加, 这说明能量更多地分布到了高阶模, 倏逝场能量增强, 微纳光纤的束缚能力减弱。碳纳米管在与丙酮作用过程中, 使作为包层结构的碳纳米管的折射率受到了调制, 微纳光纤的束缚能力发生了改变, 导致总的光强减小, 但能量在光纤中的宽度分布增加。同时, 可以发现镀膜之后, A1和A2方向的能量分布初始值不相同, 能量分布不具有对称性, 不再服从高斯分布, 而且A1和A2方向能量分布在气体影响下的改变也不同步。 图 4 碳纳米管薄膜微纳光纤在丙酮环境下A1和A2方向能量宽度随时间的分布 Figure 4 The distribution in time of energy width in A1 and A2 direction of CNTs coated microfiber under acetone gas 3 结论 利用模场分析仪观察碳纳米管薄膜微纳光纤在与气体作用时, 传输光在光纤中的能量分布宽度的变化, 进一步认识了碳纳米管薄膜微纳光纤与气体的具体作用机理。实验结果表明, 在与丙酮的作用过程中, 碳纳米管薄膜微纳光纤的传输光不再具有能量分布对称性, 总的光强能量减小, 但是能量分布宽度增加, 说明倏逝场能量增加, 光纤的束缚能力在丙酮挥发过程中减弱。本实验为研究新型气体传感器、薄膜传感器以及更好的利用倏逝波能量提供了参考。